光学研究人员表示，量子涨落首次受到控制 – 物理世界

美国科学家展示了一种新技术，可以利用真空中存在的随机能量波动，并通过应用场来偏置波动。 研究人员相信，该技术可以应用于概率光学计算中的从传感到随机数生成的各个领域。

正如它禁止粒子完全丧失动量一样，海森堡的不确定性原理也防止系统完全缺乏能量。 因此，在量子力学中，真空中充满了电场中随机频率的微小波动。 这些通常太小而与实验无关，但在特定情况下它们可能变得很重要。

以2021年为例，理论物理学家 奥特温·赫斯 都柏林三一学院及其同事领导的 曹慧 康涅狄格州耶鲁大学利用这些波动从多模激光器产生随机数发生器。 “在我们当时使用的激光描述中，[我们描述了]多种模式相互作用所导致的不可预测性和跳动，”赫斯解释道； “但这是一个非常有趣的结果，可以收获量子涨落。”

随机困难

尽管在密码学和计算机模拟中广泛使用，但众所周知，生成真正的随机数集非常困难。 这使得曹和赫斯的工作在量子光学领域之外引起了极大的兴趣。

在这项新工作中，麻省理工学院 (MIT) 的研究人员通过应用外部信号干扰量子涨落并测量这种干扰的效果，将这一概念更进一步。 雅尼克·萨拉明, 查尔斯·罗克斯-卡姆斯 和同事将铌酸锂晶体放入光学腔中，并用来自激光的光子泵浦它。 这在晶体中产生了激发态，并衰变产生两个光子，其能量正好是泵浦光子能量的一半。

萨拉明解释说：“这些光子的相位是完全随机的，因为它们是由真空波动触发的，但现在光子将在腔中循环，当下一个光子到来时，它可以为同一个光子提供能量并放大它。 但由于该效应的物理性质，只能放大两个可能的阶段。”

分叉转变

光子最初在两个阶段都被放大，但系统会经历“分叉转变”，并在该模式中积累足够的能量以克服损失时立即选择一种模式或另一种模式。 “一旦进入稳定状态，结果就固定了，”罗克斯-卡姆斯解释道。 “如果你想得到一个新的样本，你必须重新启动整个过程，回到真空分布并再次经历分叉，”他补充道。

当不施加外部偏差时，空腔同样有可能最终处于两种可能模式中的任何一种，并且经过反复试验后各种结果组合的相对频率形成完美的高斯分布。 然后研究人员施加了一个衰减的脉冲电磁场​​，直到其达到真空涨落的量级。 他们发现，尽管系统仍然可以稳定在任一状态，但他们可能会偏向选择一种状态而不是另一种状态的概率。 当他们施加更强的偏差时，系统始终选择相同的状态。

快速量子随机数发生器适合指尖

该团队目前正在研究可能的应用，包括概率计算。 “总的想法是，通过将许多 p 位（概率位）耦合在一起，我们可以构建一台 p 计算机，”Roques-Carmes 说。 “在许多科学领域，你都希望能够对不确定性进行编码……我们计划采用这个光子 p 位并将其合并到光子处理单元中。” 该研究还在调查利用系统对小电场的响应能力来生产传感器的可能性。

该研究描述于 科学 赫斯对论文中描述的结果很感兴趣。 “这非常特别，因为这几乎就像你对没有任何东西的事情产生偏见一样，”赫斯说，他没有参与这项最新的工作。 “令我印象深刻的是，他们以非常好的方式撰写手稿——他们将其与兰姆和珀塞尔等激光科学大师紧密地联系起来——他们引用了霍金和昂鲁。 在 1950 世纪 1960 年代和 XNUMX 年代，确实不清楚有多少这样的过程发生，以及波动如何通过它们发生的位置而改变……有更多的应用程序可以使用它，但从基本的角度来看，我'我只是对他们通过实验证明量子统计仍然是量子统计这一事实印象深刻，即使它在某种程度上存在偏差。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/