Kvantne fluktuacije so prvič nadzorovane, pravijo raziskovalci optike – Physics World

Ameriški znanstveniki so predstavili novo tehniko za izkoriščanje naključnih nihanj energije, ki so prisotna v praznem prostoru, in spreminjanje nihanj z uporabnim poljem. Raziskovalci verjamejo, da bi tehnika lahko imela aplikacije od zaznavanja do generiranja naključnih števil v verjetnostnem optičnem računalništvu.

Tako kot prepoveduje delcu, da bi bil popolnoma brez zagona, Heisenbergovo načelo negotovosti preprečuje, da bi bil sistem popolnoma brez energije. V kvantni mehaniki je torej vakuum naseljen z majhnimi nihanji električnega polja pri naključnih frekvencah. Običajno so premajhni, da bi bili eksperimentalno pomembni, v posebnih situacijah pa lahko postanejo pomembni.

Leta 2021 na primer teoretični fizik Ortwin Hess Trinity College Dublin in sodelavci pod vodstvom Hui Cao na Univerzi Yale v Connecticutu je ta nihanja uporabil za izdelavo generatorja naključnih števil iz večmodnega laserja. »V opisu laserja, ki smo ga takrat uporabili, [smo opisali] nepredvidljivost in utrip, ki bi nastala zaradi medsebojnega delovanja številnih načinov,« pojasnjuje Hess; "toda to je bila zelo zanimiva posledica, ki je omogočila zbiranje kvantnih nihanj."

Naključne težave

Kljub široki uporabi v kriptografiji in računalniških simulacijah je nize resničnih naključnih števil znano težko ustvariti. Zaradi tega je Cao in Hessovo delo zelo zanimivo zunaj področja kvantne optike.

V novem delu so raziskovalci na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu (MIT) ta koncept naredili korak dlje z uporabo zunanjega signala za motenje kvantnih nihanj in merjenjem učinka tega motenja. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes in sodelavci so postavili kristal litijevega niobata v optično votlino in ga črpali s fotoni iz laserja. To je ustvarilo vzbujena stanja v kristalu, ki so razpadla, da so proizvedla dva fotona s točno polovico energije fotonov črpalke.

»Faza, ki jo bodo imeli ti fotoni, je popolnoma naključna, ker jih sprožijo vakuumska nihanja,« pojasnjuje Salamin, »toda zdaj bo foton krožil v votlini in, ko pride naslednji foton, lahko da energijo temu istemu fotonu in ga povečati. Toda zaradi fizične narave učinka je mogoče povečati samo dve možni fazi.

Bifurkacijski prehod

Fotoni se na začetku ojačajo z obema fazama, vendar je sistem podvržen "bifurkacijskemu prehodu" in izbere enega ali drugega načina, takoj ko se v tem načinu nabere dovolj energije za premagovanje izgub. "Ko ste v stabilnem stanju, je rezultat fiksen," pojasnjuje Roques-Carmes. "Če želite dobiti nov vzorec, morate ponovno zagnati celoten postopek, se vrniti k vakuumski distribuciji in znova iti skozi bifurkacijo," dodaja.

Ko ni bila uporabljena zunanja pristranskost, je bilo enako verjetno, da bo votlina končala v katerem koli od obeh možnih načinov, relativne frekvence različnih kombinacij rezultatov po ponavljajočih se poskusih pa so oblikovale popolno Gaussovo porazdelitev. Raziskovalci so nato uporabili impulzno elektromagnetno polje, oslabljeno, dokler ni bilo na ravni vakuumskih nihanj. Ugotovili so, da čeprav bi se sistem še vedno lahko ustalil v katerem koli stanju, bi lahko vplivali na verjetnost, da bo izbral eno stanje namesto drugega. Ko so uporabili močnejšo pristranskost, je sistem dosledno izbiral isto stanje.

Hiter kvantni generator naključnih števil se prilega konici prsta

Ekipa zdaj preučuje možne aplikacije, vključno z verjetnostnim računalništvom. "Splošna ideja je, da lahko s povezovanjem številnih p-bitov [verjetnostnih bitov] skupaj zgradimo p-računalnik," pravi Roques-Carmes. "Obstaja veliko področij znanosti, kjer želite imeti možnost kodiranja negotovosti ... Načrtujemo, da bomo vzeli ta fotonski p-bit in ga vključili v fotonsko procesno enoto." Raziskave preučujejo tudi možnost uporabe odzivnosti sistema na majhna električna polja za izdelavo senzorja.

Raziskava je opisana v Znanost in Hess je navdušen nad rezultati, opisanimi v članku. "To je precej izjemno, saj je skoraj tako, kot da bi stvari brez ničesar spremenili," pravi Hess, ki ni sodeloval pri tem zadnjem delu. »Navdušilo me je, da imajo zelo lep način pisanja rokopisa – zelo močno ga povezujejo z nekaterimi velikimi mojstri laserske znanosti, kot sta Lamb in Purcell – citirajo Hawkinga in Unruha. V 1950-ih in 1960-ih res ni bilo jasno, koliko teh procesov je nastalo in kako je mogoče nihanja spremeniti glede na to, kje se zgodijo ... Obstaja veliko več aplikacij, v katerih bi lahko to uporabili, toda s temeljnega vidika sem Navdušen sem nad dejstvom, da so eksperimentalno pokazali, da je kvantna statistika še vedno kvantna statistika, tudi če je na nek način pristranska.«

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/