ความผันผวนของควอนตัมถูกควบคุมเป็นครั้งแรก นักวิจัยด้านทัศนศาสตร์ – Physics World กล่าว

ความผันผวนของควอนตัมถูกควบคุมเป็นครั้งแรก นักวิจัยด้านทัศนศาสตร์ – Physics World กล่าว

Time Stamp: 7 สิงหาคม 2023 9:30

การทดลองเลขสุ่มควอนตัม
การควบคุมควอนตัม: การตั้งค่าการทดลองที่ใช้เพื่อสร้างตัวเลขสุ่มที่ปรับได้จากความผันผวนของสุญญากาศ (มารยาท: Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin)

นักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ ได้แสดงให้เห็นเทคนิคใหม่ในการใช้ประโยชน์จากความผันผวนของพลังงานแบบสุ่มในพื้นที่ว่างและการให้น้ำหนักความผันผวนกับสนามที่ประยุกต์ใช้ นักวิจัยเชื่อว่าเทคนิคนี้สามารถประยุกต์ใช้ตั้งแต่การตรวจจับไปจนถึงการสร้างตัวเลขสุ่มในการคำนวณด้วยแสงที่น่าจะเป็น

เช่นเดียวกับที่มันห้ามไม่ให้อนุภาคสูญเสียโมเมนตัมโดยสิ้นเชิง หลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กจะป้องกันไม่ให้ระบบขาดพลังงานโดยสิ้นเชิง ดังนั้นในกลศาสตร์ควอนตัม สุญญากาศจึงมีความผันผวนเล็กน้อยในสนามไฟฟ้าที่ความถี่สุ่ม โดยปกติสิ่งเหล่านี้จะเล็กเกินไปที่จะเกี่ยวข้องกับการทดลอง แต่ในบางสถานการณ์ สิ่งเหล่านี้อาจกลายเป็นสิ่งสำคัญได้

ตัวอย่างเช่น ในปี 2021 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี ออร์ตวิน เฮสส์ ของ Trinity College Dublin และผู้ร่วมงานนำโดย ฮุ่ยเฉา ที่มหาวิทยาลัยเยลในคอนเนตทิคัตใช้ความผันผวนเหล่านี้เพื่อสร้างเครื่องกำเนิดตัวเลขสุ่มจากเลเซอร์แบบหลายโหมด “ในคำอธิบายเลเซอร์ที่เราใช้ในตอนนั้น [เราอธิบาย] ความไม่แน่นอนและการตีที่จะเป็นผลมาจากโหมดต่างๆ ที่โต้ตอบกัน” เฮสส์อธิบาย; “แต่นั่นเป็นผลลัพธ์ที่น่าสนใจมากที่ทำให้สามารถเก็บเกี่ยวความผันผวนของควอนตัมได้”

ปัญหาแบบสุ่ม

แม้จะมีการใช้อย่างแพร่หลายในการเข้ารหัสและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ชุดของตัวเลขสุ่มที่แท้จริงนั้นสร้างได้ยาก สิ่งนี้ทำให้งานของ Cao และ Hess เป็นที่สนใจอย่างมากนอกขอบเขตของเลนส์ควอนตัม

ในงานใหม่นี้ นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้นำแนวคิดนี้ไปอีกขั้นโดยการใช้สัญญาณภายนอกเพื่อรบกวนความผันผวนของควอนตัมและวัดผลของการรบกวนนี้ ยานนิค ซาลามิน ชาร์ลส์ โรกส์-การ์เมส และเพื่อนร่วมงานได้วางผลึกลิเธียมไนโอเบตในช่องแสงและปั๊มด้วยโฟตอนจากเลเซอร์ สิ่งนี้ทำให้เกิดสถานะที่ตื่นเต้นในผลึกที่สลายตัวเพื่อสร้างโฟตอนสองตัวที่มีพลังงานเพียงครึ่งเดียวของโฟตอนที่ปั๊ม

"ระยะที่โฟตอนเหล่านี้จะมีขึ้นนั้นเป็นไปโดยสุ่มเพราะถูกกระตุ้นโดยความผันผวนของสุญญากาศ" Salamin อธิบาย "แต่ตอนนี้โฟตอนจะหมุนเวียนอยู่ในโพรง และเมื่อโฟตอนถัดไปมา มันจะให้พลังงานแก่โฟตอนเดียวกันนั้น และขยายมัน แต่เนื่องจากลักษณะทางกายภาพของผลกระทบ จึงสามารถขยายระยะที่เป็นไปได้เพียงสองระยะเท่านั้น”

การเปลี่ยนแปลงทางแยก

โฟตอนจะถูกขยายในขั้นต้นด้วยทั้งสองเฟส แต่ระบบผ่าน "การเปลี่ยนทางแยกสองทาง" และเลือกโหมดใดโหมดหนึ่งทันทีที่มีพลังงานสะสมเพียงพอในโหมดนั้นเพื่อเอาชนะการสูญเสีย “เมื่อคุณอยู่ในสถานะคงที่ ผลลัพธ์ก็จะคงที่” Roques-Carmes อธิบาย “ถ้าคุณต้องการตัวอย่างใหม่ คุณต้องเริ่มกระบวนการใหม่ทั้งหมด กลับไปที่การกระจายสุญญากาศและผ่านการแยกทางแยกอีกครั้ง” เขากล่าวเสริม

เมื่อไม่มีอคติจากภายนอก โพรงก็มีโอกาสพอๆ กันที่จะจบลงในโหมดใดโหมดหนึ่งจากสองโหมดที่เป็นไปได้ และความถี่สัมพัทธ์ของผลรวมต่างๆ หลังจากการทดลองซ้ำๆ ทำให้เกิดการแจกแจงแบบเกาส์เซียนที่สมบูรณ์แบบ จากนั้นนักวิจัยใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบพัลซิ่งลดทอนจนกว่าจะเป็นไปตามลำดับของความผันผวนของสุญญากาศ พวกเขาพบว่าแม้ว่าระบบจะยังคงปักหลักอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่ง แต่ก็สามารถมีอคติต่อความน่าจะเป็นที่จะเลือกสถานะใดสถานะหนึ่งมากกว่าอีกสถานะหนึ่ง เมื่อพวกเขาใช้อคติที่แรงกว่า ระบบจะเลือกสถานะเดิมอย่างสม่ำเสมอ

ขณะนี้ทีมกำลังศึกษาการใช้งานที่เป็นไปได้ รวมถึงการคำนวณเชิงความน่าจะเป็น “แนวคิดทั่วไปคือการเชื่อมต่อ p-bit [บิตที่น่าจะเป็น] จำนวนมากเข้าด้วยกัน เราสามารถสร้าง p-computer ได้” Roques-Carmes กล่าว “มีหลายด้านของวิทยาศาสตร์ที่คุณต้องการเข้ารหัสความไม่แน่นอน… เราวางแผนที่จะใช้ p-bit โทนิคนี้และรวมเข้ากับหน่วยประมวลผลโทนิค” การวิจัยยังตรวจสอบความเป็นไปได้ในการใช้การตอบสนองของระบบต่อสนามไฟฟ้าขนาดเล็กเพื่อผลิตเซ็นเซอร์

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน วิทยาศาสตร์ และ Hess กระตือรือร้นกับผลลัพธ์ที่อธิบายไว้ในบทความนี้ “มันค่อนข้างพิเศษ เพราะมันเกือบจะเหมือนกับว่าคุณมีอคติกับอะไรโดยไม่มีอะไรเลย” เฮสส์ผู้ไม่เกี่ยวข้องกับงานล่าสุดนี้กล่าว “สิ่งที่ทำให้ฉันประทับใจคือพวกเขามีวิธีเขียนต้นฉบับที่ดีมาก พวกเขาเชื่อมโยงมันเข้ากับปรมาจารย์ด้านเลเซอร์ศาสตร์อย่างแลมบ์และเพอร์เซลล์อย่างมาก พวกเขาอ้างถึงฮอว์คิงและอุนรูห์ ในทศวรรษที่ 1950 และ 1960 ยังไม่ชัดเจนว่ากระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นมากี่กระบวนการ และความผันผวนสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างไรเมื่อเกิดขึ้น… มีแอปพลิเคชันอีกมากมายที่สามารถใช้สิ่งนี้ได้ แต่จากมุมมองพื้นฐาน ฉัน ฉันแค่ประทับใจกับความจริงที่ว่าพวกเขาได้แสดงการทดลองว่าสถิติควอนตัมยังคงเป็นสถิติควอนตัมแม้ว่ามันจะมีอคติไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์