Το MIT ελέγχει την κβαντική τυχαιότητα για πρώτη φορά

Η πρωτοποριακή μελέτη καταδεικνύει τον έλεγχο των κβαντικών διακυμάνσεων, ανοίγοντας τη δυνατότητα για πιθανολογικούς υπολογισμούς και εξαιρετικά ακριβή ανίχνευση πεδίου.

Μια ομάδα ερευνητών από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης είπε (Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης) πέτυχε ένα ορόσημο στις κβαντικές τεχνολογίες, επιδεικνύοντας για πρώτη φορά τον έλεγχο της κβαντικής τυχαιότητας.

Η ομάδα των ερευνητών εστίασε σε ένα μοναδικό χαρακτηριστικό της κβαντικής φυσικής γνωστό ως «διακυμάνσεις κενού». Μπορεί να σκεφτείτε ένα κενό ως έναν εντελώς κενό χώρο χωρίς ύλη ή φως. Ωστόσο, στον κβαντικό κόσμο, ακόμη και αυτός ο «άδειος» χώρος υφίσταται διακυμάνσεις ή αλλαγές. Φανταστείτε μια ήρεμη θάλασσα που κυματίζει ξαφνικά, αυτό είναι παρόμοιο με αυτό που συμβαίνει σε ένα κενό σε κβαντικό επίπεδο. Προηγουμένως, αυτές οι διακυμάνσεις επέτρεπαν στους επιστήμονες να παράγουν τυχαίους αριθμούς. Είναι επίσης υπεύθυνο για πολλά συναρπαστικά φαινόμενα που ανακαλύφθηκαν από κβαντικούς επιστήμονες τα τελευταία 100 χρόνια.

Πειραματική ρύθμιση για τη δημιουργία συντονίσιμων τυχαίων αριθμών από διακυμάνσεις κενού. Συντελεστές: Charles Roques Karmes, Yannick Salamin

Τα αποτελέσματα περιγράφηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Επιστήμες, σε μια εργασία με επικεφαλής τους μεταδιδακτορικούς υποτρόφους του MIT Charles Roques Karmes και Yannick Slamin. Οι καθηγητές του MIT Marin Soljacic και John Joanopoulos. Και συναδέλφους.

Υπολογισμός υπό νέο πρίσμα

Παραδοσιακά, οι υπολογιστές λειτουργούν με ντετερμινιστικό τρόπο, εκτελώντας οδηγίες βήμα προς βήμα που ακολουθούν ένα σύνολο προκαθορισμένων κανόνων και αλγορίθμων. Σε αυτό το μοντέλο, εάν εκτελέσετε την ίδια διαδικασία πολλές φορές, θα έχετε πάντα ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα. Αυτή η ντετερμινιστική προσέγγιση ήταν ο οδηγός της ψηφιακής μας εποχής, αλλά έχει τα όριά της, ειδικά όταν πρόκειται για προσομοίωση του φυσικού κόσμου ή βελτιστοποίηση πολύπλοκων συστημάτων, εργασίες που συχνά περιλαμβάνουν τεράστια ποσά αβεβαιότητας και τυχαίας.

Τεχνική απεικόνιση της δημιουργίας συντονίσιμων τυχαίων αριθμών από το κβαντικό κενό. Πίστωση: Li Chen

Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι η έννοια του πιθανοτικού υπολογισμού. Τα πιθανοτικά υπολογιστικά συστήματα εκμεταλλεύονται την εγγενή τυχαιότητα ορισμένων διαδικασιών για την εκτέλεση υπολογισμών. Δεν παρέχει μόνο μία «σωστή» απάντηση, αλλά μια σειρά από πιθανά αποτελέσματα το καθένα με τη δική του σχετική πιθανότητα. Αυτό τα καθιστά εγγενώς κατάλληλα για την προσομοίωση φυσικών φαινομένων και την αντιμετώπιση προβλημάτων βελτιστοποίησης όπου μπορούν να υπάρχουν πολλαπλές λύσεις και όπου η διερεύνηση διαφορετικών δυνατοτήτων μπορεί να οδηγήσει σε μια καλύτερη λύση.

Ο Δρ Charles Roques Carmis, ένας από τους κύριους συγγραφείς του έργου, τρέχει το πειραματικό σύστημα. Credit: Anthony Toliani

Ξεπερνώντας τις κβαντικές προκλήσεις

Ωστόσο, η πρακτική εφαρμογή του πιθανοτικού υπολογισμού έχει ιστορικά παρεμποδιστεί από ένα σημαντικό εμπόδιο: την έλλειψη ελέγχου στις κατανομές πιθανοτήτων που σχετίζονται με την κβαντική τυχαιότητα. Ωστόσο, η έρευνα που διεξήχθη από την ομάδα του MIT έχει ρίξει φως σε μια πιθανή λύση.

Συγκεκριμένα, οι ερευνητές έδειξαν ότι η έγχυση μιας ασθενούς «προκατάληψης» λέιζερ σε έναν οπτικό παραμετρικό ταλαντωτή, ένα οπτικό σύστημα που δημιουργεί φυσικά τυχαίους αριθμούς, μπορεί να χρησιμεύσει ως ελεγχόμενη πηγή «προκατειλημμένης» κβαντικής τυχαιότητας.

«Αν και αυτά τα κβαντικά συστήματα έχουν μελετηθεί εκτενώς, η επίδραση του εξαιρετικά αδύναμου πεδίου προκατάληψης δεν έχει ακόμη διερευνηθεί», λέει ο ερευνητής της μελέτης Charles Roques-Carmes. «Η ανακάλυψή μας της ελεγχόμενης κβαντικής τυχαιότητας όχι μόνο μας επιτρέπει να επανεξετάσουμε τις αρχαίες έννοιες στην κβαντική οπτική, αλλά ανοίγει επίσης δυνατότητες στους πιθανολογικούς υπολογιστές και την εξαιρετικά ακριβή ανίχνευση πεδίου».

Η ομάδα έχει επιδείξει με επιτυχία την ικανότητα να χειρίζεται πιθανότητες που σχετίζονται με τις καταστάσεις εξόδου ενός οπτικού παραμετρικού ταλαντωτή, δημιουργώντας έτσι το πρώτο ελεγχόμενο φωτονικό πιθανοτικό bit (p-bit). Επιπλέον, το σύστημα έδειξε ευαισθησία σε χρονικές ταλαντώσεις παλμών πεδίου μεροληψίας, ακόμη και πολύ χαμηλότερα από τα μονότονα Φωτόνιο επίπεδο.

Ο Δρ Yannick Slamin, ένας από τους κύριους συγγραφείς του έργου, τρέχει το πειραματικό σύστημα. Πίστωση: Alison McPassino

Συνέπειες και μελλοντικές προοπτικές

“Το σύστημα παραγωγής οπτικών bit επιτρέπει επί του παρόντος την παραγωγή 10.000 bit ανά δευτερόλεπτο, καθένα από τα οποία μπορεί να ακολουθήσει μια αυθαίρετη διωνυμική κατανομή”, λέει ο Yannick Salamin, άλλο μέλος της ομάδας. “Αναμένουμε ότι αυτή η τεχνολογία θα αναπτυχθεί τα επόμενα χρόνια. που οδηγεί σε υψηλότερο οπτικό ρυθμό μετάδοσης bit.” Και ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.

Ο καθηγητής Marin Sulijačić από το MIT τονίζει τις ευρύτερες επιπτώσεις της εργασίας: «Κάνοντας τις διακυμάνσεις του κενού ένα ελεγχόμενο στοιχείο, πιέζουμε τα όρια του δυνατού στον κβαντικό υπολογισμό πιθανοτήτων. Η δυνατότητα προσομοίωσης πολύπλοκων δυναμικών σε τομείς όπως η διαμορφωτική βελτιστοποίηση και οι προσομοιώσεις κβαντικής χρωμοδυναμικής είναι υπέροχες.» Πολύ συναρπαστικό.

Αναφορά: «Κβαντική προκατάληψη κενού για τον έλεγχο των μακροσκοπικών κατανομών πιθανοτήτων» από τους Charles Roques-Carmes, Yannick Slamin, Jamison Sloan, Siu Choi, Gustavo Velez, Ethan Koskas, Nicholas Rivera και Steven E. Coy, John D. Joanopoulos και Marin Soljacic, 13 Ιουλίου 2023, Επιστήμες.
doi: 10.1126/science.adh4920