Kvantfluktuationer kontrolleras för första gången, säger optikforskare – Physics World

Kvantfluktuationer kontrolleras för första gången, säger optikforskare – Physics World

Tidsstämpel: 7 augusti 2023 9:30

Quantum slumptalsexperiment
Kvantkontroll: den experimentella uppställningen som används för att generera inställbara slumptal från vakuumfluktuationer. (Med tillstånd: Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin)

En ny teknik för att utnyttja de slumpmässiga energifluktuationerna som finns i tomma utrymmen och fördomsfulla fluktuationerna med ett tillämpat fält har demonstrerats av amerikanska forskare. Forskarna tror att tekniken kan ha tillämpningar från avkänning till generering av slumpmässiga tal i probabilistisk optisk beräkning.

Precis som den förbjuder en partikel från att vara helt befriad från momentum, förhindrar Heisenbergs osäkerhetsprincip ett system från att vara helt utan energi. Inom kvantmekaniken är därför ett vakuum befolkat av små fluktuationer i det elektriska fältet vid slumpmässiga frekvenser. Dessa är normalt för små för att vara experimentellt relevanta, men i specifika situationer kan de bli viktiga.

År 2021, till exempel, teoretisk fysiker Ortwin Hess av Trinity College Dublin och kollegor under ledning av Hui Cao vid Yale University i Connecticut använde dessa fluktuationer för att producera en slumptalsgenerator från en laser i flera lägen. "I laserbeskrivningen som vi använde då, beskrev vi oförutsägbarheten och misshandeln som skulle bli resultatet av de många lägena som interagerar", förklarar Hess; "men det var en mycket intressant konsekvens som möjliggjorde skörden av kvantfluktuationerna."

Slumpmässiga svårigheter

Trots utbredd användning i kryptografi och datorsimuleringar är uppsättningar av sanna slumptal notoriskt svåra att generera. Detta gör Cao och Hess arbete av stort intresse utanför området kvantoptik.

I det nya arbetet tog forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) detta koncept ett steg längre genom att applicera en extern signal för att störa kvantfluktuationerna och mäta effekten av denna interferens. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes och kollegor placerade en litiumniobatkristall i en optisk kavitet och pumpade den med fotoner från en laser. Detta genererade exciterade tillstånd i kristallen som sönderföll för att producera två fotoner med exakt hälften av energin hos pumpfotonerna.

"Fasen som dessa fotoner kommer att ha är helt slumpmässig eftersom de triggas av vakuumfluktuationerna", förklarar Salamin, "men nu kommer fotonen att cirkulera i håligheten och, när nästa foton kommer, kan den ge energi till samma foton och förstärka den. Men på grund av effektens fysiska natur kan endast två möjliga faser förstärkas.”

Bifurkationsövergång

Fotoner förstärks initialt med båda faserna, men systemet genomgår en "bifurkationsövergång" och väljer det ena eller det andra läget så snart tillräckligt med energi ackumuleras i det läget för att övervinna förluster. "När du väl är i steady state är resultatet fixat", förklarar Roques-Carmes. "Om du vill få ett nytt prov måste du starta om hela processen, gå tillbaka till vakuumfördelningen och gå igenom bifurkationen igen", tillägger han.

När ingen yttre förspänning applicerades, var det lika sannolikt att kaviteten hamnade i någon av de två möjliga lägena, och de relativa frekvenserna för olika kombinationer av resultat efter upprepade försök bildade en perfekt Gaussisk fördelning. Forskarna applicerade sedan ett pulserande elektromagnetiskt fält som dämpades tills det var i storleksordningen av vakuumfluktuationerna. De fann att, även om systemet fortfarande kunde slå sig ner i båda tillstånden, kunde de påverka sannolikheten att det skulle välja ett tillstånd framför det andra. När de tillämpade en starkare partiskhet valde systemet konsekvent samma tillstånd.

Teamet studerar nu möjliga tillämpningar, inklusive probabilistisk beräkning. "Den allmänna idén är att genom att koppla många p-bitar [probabilistiska bitar] tillsammans kan vi bygga en p-dator", säger Roques-Carmes. "Det finns många vetenskapsområden där du vill kunna koda osäkerhet ... Vi planerar att ta denna fotoniska p-bit och integrera den i en fotonisk bearbetningsenhet." Forskningen undersöker också möjligheten att använda systemets känslighet för små elektriska fält för att producera en sensor.

Forskningen beskrivs i Vetenskap och Hess är angelägen om de resultat som beskrivs i tidningen. "Det är ganska exceptionellt, för det är nästan så att man fördomar saker med ingenting", säger Hess, som inte var involverad i det här senaste arbetet. "Det som imponerade på mig är att de har ett väldigt trevligt sätt att skriva manuskriptet – de länkar det väldigt starkt till några av laservetenskapens stormästare som Lamb och Purcell – de citerar Hawking och Unruh. På 1950- och 1960-talen var det verkligen inte klart hur många av dessa processer som uppstod och hur fluktuationer kan förändras genom var de inträffar... Det finns många fler applikationer där man kan använda detta, men ur en grundläggande synvinkel Jag är bara imponerad av det faktum att de experimentellt har visat att kvantstatistik fortfarande är kvantstatistik även om den är partisk på något sätt."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden