Квантовая революция: ученые из MIT создали первый в мире управляемый фотонный вероятностный бит

Квантовая случайность - это уникальное свойство квантовой физики, которое проявляется в так называемых “вакуумных флуктуациях”. Вакуум - это пространство без материи и света, но на квантовом уровне даже это “пустое” пространство подвержено изменениям или колебаниям. Представьте себе спокойное море, которое внезапно охватывают волны - это похоже на то, что происходит в вакууме. Ранее эти флуктуации позволяли ученым генерировать случайные числа. Они также ответственны за многие удивительные явления, которые квантовые ученые открыли за последние сто лет.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Авторами статьи являются постдоки MIT Шарль Рок-Карм и Яник Саламин, профессора MIT Марин Сольячич и Джон Джоаннопулос и их коллеги.

Традиционно компьютеры работают в детерминистическом режиме, выполняя пошаговые инструкции, которые следуют набору заранее определенных правил и алгоритмов. В этой парадигме, если вы запускаете одну и ту же операцию несколько раз, вы всегда получаете один и тот же результат. Этот детерминистический подход лежит в основе нашей цифровой эпохи, но он имеет свои ограничения, особенно когда речь идет о моделировании физического мира или оптимизации сложных систем, задачи, которые часто включают в себя огромное количество неопределенности и случайности.

Здесь на сцену выходит концепция вероятностного вычисления. Вероятностные вычислительные системы используют внутреннюю случайность некоторых процессов для выполнения вычислений. Они не просто дают один “правильный” ответ, а предоставляют диапазон возможных исходов с соответствующими вероятностями. Это делает их приспособленными для моделирования физических явлений и решения оптимизационных проблем, где могут существовать несколько решений и где исследование различных возможностей может привести к лучшему решению.

Однако практическая реализация вероятностного вычисления исторически сталкивалась с серьезным препятствием: отсутствием контроля над вероятностными распределениями, связанными с квантовой случайностью. Но исследование, проведенное командой MIT, выявило возможное решение.

В частности, ученые показали, что введение слабого лазерного “смещения” в оптический параметрический генератор, оптическую систему, которая естественно генерирует случайные числа, может служить управляемым источником “смещенной” квантовой случайности.

“Несмотря на обширное изучение этих квантовых систем, влияние очень слабого смещающего поля оставалось неизученным”, - замечает Шарль Рок-Карм, один из исследователей. “Наше открытие управляемой квантовой случайности не только позволяет пересмотреть десятилетия старые концепции в квантовой оптике, но и открывает потенциал в вероятностном вычислении и сверхточном полевом датчике”.

Команда успешно продемонстрировала способность манипулировать вероятностями, связанными с выходными состояниями оптического параметрического генератора, тем самым создав первый в мире управляемый фотонный вероятностный бит (p-bit). Кроме того, система показала чувствительность к временным колебаниям импульсов смещающего поля, даже далеко ниже уровня одного фотона.

Яник Саламин, еще один член команды, отмечает: “Наша фотонная система генерации p-битов в настоящее время позволяет производить 10 000 бит в секунду, каждый из которых может следовать произвольному биномиальному распределению. Мы ожидаем, что эта технология будет развиваться в ближайшие годы, приводя к более высоким скоростям фотонных p-битов и более широкому спектру приложений”.

Профессор Марин Сольячич из MIT подчеркивает широкие последствия работы: “Делая вакуумные флуктуации управляемым элементом, мы расширяем границы возможного в квантово-усиленном вероятностном вычислении. Перспектива моделирования сложной динамики в таких областях, как комбинаторная оптимизация и симуляции квантовой хромодинамики на решетке, очень захватывает”.