Дослідники оптики – Physics World – вперше керують квантовими флуктуаціями

Американські вчені продемонстрували нову техніку використання випадкових коливань енергії в порожньому просторі та зміщення флуктуацій за допомогою прикладеного поля. Дослідники вважають, що ця техніка може мати застосування від зондування до генерації випадкових чисел у імовірнісних оптичних обчисленнях.

Подібно до того, як він забороняє частинці повністю позбавлятися імпульсу, принцип невизначеності Гейзенберга перешкоджає системі бути повністю позбавленою енергії. Отже, у квантовій механіці вакуум заповнений крихітними флуктуаціями електричного поля на випадкових частотах. Зазвичай вони занадто малі, щоб бути доречними в експерименті, але в конкретних ситуаціях вони можуть стати важливими.

У 2021 році, наприклад, фізик-теоретик Ортвін Гесс Трініті-коледжу Дубліна та його колеги під керівництвом Хуей Цао в Єльському університеті в Коннектикуті використали ці коливання для створення генератора випадкових чисел з багатомодового лазера. «У описі лазера, який ми використовували тоді, [ми описали] непередбачуваність і биття, яке буде результатом взаємодії багатьох режимів», — пояснює Гесс; «але це був дуже цікавий наслідок, який дозволив зібрати квантові флуктуації».

Випадкові труднощі

Незважаючи на широке використання в криптографії та комп’ютерному моделюванні, набори справжніх випадкових чисел, як відомо, важко створити. Це робить роботу Цао і Гесса дуже цікавою поза областю квантової оптики.

У новій роботі дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) пішли далі в цю концепцію, застосувавши зовнішній сигнал для втручання в квантові флуктуації та вимірявши ефект цього втручання. Янік Саламін, Шарль Роке-Кармес і його колеги помістили кристал ніобату літію в оптичну порожнину і накачали його фотонами від лазера. Це породжувало збуджені стани в кристалі, які розпадалися, утворюючи два фотони рівно половини енергії фотонів накачування.

«Фаза, яку матимуть ці фотони, є абсолютно випадковою, оскільки вони викликані флуктуаціями вакууму, — пояснює Саламін, — але тепер фотон циркулюватиме в порожнині, і, коли прийде наступний фотон, він може віддати енергію тому самому фотону. і посилити його. Але через фізичну природу ефекту можна посилити лише дві можливі фази».

Біфуркаційний перехід

Фотони спочатку посилюються з обома фазами, але система проходить «біфуркаційний перехід» і вибирає ту чи іншу моду, як тільки в цьому режимі накопичується достатньо енергії для подолання втрат. «Коли ви перебуваєте в стаціонарному стані, результат фіксується», — пояснює Рокес-Кармес. «Якщо ви хочете отримати новий зразок, вам доведеться перезапустити весь процес, повернутися до розподілу вакууму та знову пройти біфуркацію», — додає він.

Коли зовнішнє зміщення не застосовувалося, порожнина з однаковою ймовірністю опинилася в будь-якому з двох можливих режимів, а відносні частоти різних комбінацій результатів після повторних випробувань утворювали ідеальний розподіл Гаусса. Потім дослідники застосували імпульсне електромагнітне поле, ослаблене до рівня коливань вакууму. Вони виявили, що, хоча система все ще може перебувати в будь-якому стані, вони можуть змінити ймовірність того, що вона вибере один стан замість іншого. Коли вони застосовували сильніше упередження, система постійно вибирала той самий стан.

Швидкий квантовий генератор випадкових чисел поміщається на кінчик пальця

Зараз команда вивчає можливі застосування, включаючи імовірнісні обчислення. «Загальна ідея полягає в тому, що, об’єднавши багато p-біт [імовірнісних бітів] разом, ми можемо побудувати p-комп’ютер», — каже Рокес-Кармес. «Є багато галузей науки, де ви хочете мати можливість кодувати невизначеність... Ми плануємо взяти цей фотонний p-біт і включити його в фотонний процесор». Дослідники також вивчають можливість використання чутливості системи до малих електричних полів для створення датчика.

Дослідження описано в наука і Гесс зацікавлений у результатах, описаних у статті. «Це досить винятково, тому що це майже так, ніби ви нічого не змінюєте», — каже Гесс, який не брав участі в цій останній роботі. «Що мене вразило, так це те, що вони дуже добре написали рукопис — вони дуже сильно пов’язують його з деякими великими майстрами лазерної науки, такими як Лемб і Перселл — вони цитують Хокінга та Унру. У 1950-х і 1960-х роках насправді було незрозуміло, скільки з цих процесів виникло і як флуктуації можуть бути змінені залежно від того, де вони відбуваються… Є багато інших програм, у яких можна це використовувати, але з фундаментальної точки зору я Я просто вражений тим фактом, що вони експериментально показали, що квантова статистика все ще залишається квантовою статистикою, навіть якщо вона певним чином упереджена».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/