Исследователи оптики говорят, что квантовые флуктуации впервые находятся под контролем

Американские ученые продемонстрировали новый метод использования случайных флуктуаций энергии, присутствующих в пустом пространстве, и смещения флуктуаций с помощью приложенного поля. Исследователи считают, что этот метод может иметь применение от датчиков до генерации случайных чисел в вероятностных оптических вычислениях.

Точно так же, как он запрещает частице полностью лишаться импульса, принцип неопределенности Гейзенберга не позволяет системе быть полностью лишенной энергии. Таким образом, в квантовой механике вакуум населен крошечными флуктуациями электрического поля со случайными частотами. Обычно они слишком малы, чтобы иметь экспериментальное значение, но в определенных ситуациях они могут стать важными.

В 2021 году, например, физик-теоретик Ортвин Гесс Тринити-колледжа в Дублине и коллег во главе с Хуэй Цао в Йельском университете в Коннектикуте использовали эти флуктуации для создания генератора случайных чисел из многомодового лазера. «В описании лазера, которое мы использовали тогда, [мы описывали] непредсказуемость и биения, возникающие в результате взаимодействия многих мод», — объясняет Хесс; «Но это было очень интересное следствие, позволившее собрать квантовые флуктуации».

Случайные трудности

Несмотря на широкое использование в криптографии и компьютерном моделировании, наборы истинных случайных чисел, как известно, сложно генерировать. Это делает работу Цао и Гесса очень интересной за пределами области квантовой оптики.

В новой работе исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) пошли дальше этой концепции, применив внешний сигнал для интерференции с квантовыми флуктуациями и измерив эффект этой интерференции. Янник Саламин, Шарль Рокес-Кармес и его коллеги поместили кристалл ниобата лития в оптический резонатор и накачали его фотонами от лазера. Это генерировало возбужденные состояния в кристалле, который распадался с образованием двух фотонов с энергией ровно половины энергии фотонов накачки.

«Фаза, которую будут иметь эти фотоны, совершенно случайна, потому что они запускаются флуктуациями вакуума, — объясняет Саламин, — но теперь фотон будет циркулировать в полости и, когда придет следующий фотон, он может дать энергию тому же самому фотону. и усилить его. Но из-за физической природы эффекта можно усилить только две возможные фазы».

Бифуркационный переход

Сначала фотоны усиливаются обеими фазами, но система претерпевает «бифуркационный переход» и выбирает ту или иную моду, как только в этой моде накапливается достаточно энергии для преодоления потерь. «Как только вы достигаете стабильного состояния, результат фиксируется», — объясняет Рокес-Кармес. «Если вы хотите получить новый образец, вам придется перезапустить весь процесс, вернуться к вакуумному распределению и снова пройти разветвление», — добавляет он.

Когда не применялось внешнее смещение, полость с одинаковой вероятностью оказывалась в любом из двух возможных режимов, а относительные частоты различных комбинаций исходов после повторных испытаний формировали идеальное распределение Гаусса. Затем исследователи применили импульсное электромагнитное поле, ослабленное до уровня флуктуаций вакуума. Они обнаружили, что, хотя система по-прежнему может перейти в любое состояние, они могут повлиять на вероятность того, что она выберет одно состояние вместо другого. Когда они применяли более сильное смещение, система постоянно выбирала одно и то же состояние.

Быстрый квантовый генератор случайных чисел умещается на кончике пальца

Сейчас команда изучает возможные приложения, включая вероятностные вычисления. «Общая идея состоит в том, что, соединив множество p-битов [вероятностных битов] вместе, мы можем построить p-компьютер», — говорит Рокес-Кармес. «Есть много областей науки, в которых вы хотите иметь возможность кодировать неопределенность… Мы планируем взять этот фотонный p-бит и включить его в блок фотонной обработки». Исследователи также изучают возможность использования чувствительности системы к небольшим электрическим полям для создания датчика.

Исследование описано в Наука и Гесс увлечен результатами, описанными в статье. «Это довольно необычно, потому что вы почти ничего не искажаете», — говорит Хесс, который не участвовал в этой последней работе. «Что меня впечатлило, так это то, что у них очень хороший способ написания рукописи — они очень тесно связывают ее с некоторыми великими мастерами лазерной науки, такими как Лэмб и Перселл — они цитируют Хокинга и Унру. В 1950-х и 1960-х годах было действительно неясно, сколько из этих процессов возникло и как флуктуации могут быть изменены в зависимости от того, где они происходят… Существует гораздо больше приложений, в которых это можно было бы использовать, но с фундаментальной точки зрения я Меня просто впечатлил тот факт, что они экспериментально показали, что квантовая статистика остается квантовой статистикой, даже если она каким-то образом искажена».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/