首次成功控制“量子波动” | Science

넳 넲

发布时间：2023-08-10

光子盒研究院

美国科学家展示了一种利用虚空中存在的随机能量波动，并通过外加场对波动进行偏置的新技术。研究人员认为，该技术可应用于概率光学计算中的传感和随机数生成。

7月13日，研究成果以“Biasing the quantum vacuum to control macroscopic probability distributions”为题，发表在Science上。

正如海森堡不确定性原理禁止粒子完全没有动量一样，它也禁止一个系统完全没有能量。因此，在量子力学中，真空中存在着随机频率的微小电场波动。这些波动就叫做量子涨落；它们通常太小、与实验无关，但在特定情况下会变得很重要。

例如，2021 年，都柏林圣三一学院的理论物理学家Ortwin Hess和康涅狄格州耶鲁大学Hui Cao领导的同事利用这些涨落，从多模激光中产生了一个随机数发生器。Hess解释说：“在我们当时使用的激光描述中，我们描述了许多模式相互作用所产生的不可预测性和跳动，但这是一个非常有趣的结果，使得量子涨落(fluctuation)得以采集。”

尽管真正的随机数集在密码学和计算机模拟中得到广泛应用，但它们的生成却出了名的困难。这使得Cao和Hess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）的研究人员将这一概念向前推进了一步，他们应用外部信号干扰量子涨落，并测量这种干扰的效果。Yannick Salamin、Charles Roques-Carmes 及其同事将铌酸锂晶体置于一个光腔中，并用激光器的光子对其进行泵浦。这在晶体中产生了激发态、激发态衰变后产生了两个光子，其能量正好是泵浦光子的一半。

“这些光子的相位是完全随机的，因为它们是由真空能量波动触发的。”Salamin解释说：“但现在，光子将在腔体内循环，当下一个光子到来时，它可以给同一个光子提供能量并将其放大。由于这种效应的物理特性，只能放大两种可能的相位。”

通过偏置真空能量波动调整多稳态系统的概率分布。

光子最初会被两个阶段放大，但系统会发生“分岔转换(bifurcation transition)”，一旦该模式积累了足够的能量来克服损耗，系统就会选择其中一个模式。“一旦进入稳定状态，结果就是固定的。”Roques-Carmes 解释说：“如果你想获得新的样本，就必须重新启动整个过程，回到真空分布，再次经历分叉。”

在没有施加外部偏压的情况下，空腔同样有可能以两种可能模式中的任何一种结束，重复试验后各种结果组合的相对频率形成了完美的高斯分布。随后，研究人员施加了一个脉冲电磁场，并将其衰减到与真空波动相当的程度。他们发现，虽然系统仍然可以稳定在任何一种状态，但他们可以偏移系统选择一种状态的概率。当他们施加更强的偏置时，系统始终选择相同的状态。

研究小组目前正在研究可能的应用——包括概率计算。Roques-Carmes说：“一般的想法是，通过将许多 p 位（概率位）耦合在一起，我们可以建立一个 p 计算机。在许多科学领域，你都希望能够对不确定性进行编码......我们计划采用这种光子 p 位，并将其纳入光子处理单元。”不止如此，研究人员还在研究利用该系统对小电场的响应能力来制造传感器的可能性。