Достигнута власть над хаосом, грядёт новый этап познания мира

Учёные из MIT продемонстрировали новый способ воздействия на случайные энергетические флуктуации, присутствующие в вакууме. Исследователи применили внешнее электромагнитное поле, чтобы влиять на эти флуктуации и измерять эффект взаимодействия. Результаты работы могут найти применение в сферах датчиков и вероятностных оптических вычислений.

Согласно принципу неопределённости Гейзенберга, вакуум не может быть полностью лишён энергии. В нем присутствуют случайные fl-колебания электрического поля, обычно слишком малые для наблюдения. Однако в определённых условиях они приобретают вполне определяемое значение.

В позапрошлом году физики-теоретики во главе с Хьюй Као из Йельского университета использовали эти флуктуации для создания генератора случайных чисел на основе многомодового лазера. «Мы описали непредсказуемость и биения, возникающие от взаимодействия мод, — объясняет Ортвин Хесс из Тринити Колледжа в Дублине, — но это позволило уловить квантовые флуктуации».

Несмотря на широкое применение в криптографии и компьютерном моделировании, истинно случайные числа очень сложно генерировать. Поэтому работа Као и Хесса представляет большой интерес.

Однако в новом исследовании учёные из MIT пошли дальше, применив внешний сигнал для взаимодействия с квантовыми флуктуациями и измерив эффект. Янник Саламин, Чарльз Рок-Карм и коллеги поместили кристалл ниобата лития в оптический резонатор и облучали его фотонами от лазера. Это генерировало возбужденные состояния в кристалле, распад которых приводил к появлению двух фотонов вдвое меньшей энергии.

«Фаза этих фотонов полностью случайна, поскольку они порождаются вакуумными флуктуациями, — объясняет Саламин. — Но фотон циркулирует в резонаторе, усиливаясь при взаимодействии со следующим фотоном. Из-за особенностей процесса усиливаются лишь две возможные фазы».

Первоначально усиливаются фотоны обеих фаз, но система претерпевает «бифуркационный переход» и выбирает один режим, когда в нем накапливается достаточно энергии. «Как только достигается стационарное состояние, исход зафиксирован, — поясняет Рок-Карм. — Чтобы получить новую выборку, нужно перезапустить весь процесс».

Без внешнего воздействия система с одинаковой вероятностью переходила в любое состояние, а частоты различных комбинаций результатов образовывали идеальное гауссово распределение. Затем исследователи прикладывали импульсы ослабленного электромагнитного поля порядка вакуумных флуктуаций. Оказалось, что можно смещать вероятность выбора системой одного из состояний. При большем внешнем воздействии система неизменно выбирала то же состояние.

Команда изучает возможные применения, в том числе вероятностные вычисления. «Мы планируем объединить много p-битов в p-компьютер, — говорит Рок-Карм. «Во многих областях науки нужно учитывать неопределённость. Мы хотим внедрить наш фотонный p-бит в фотонный вычислительный блок». Также исследователи рассматривают использование системы в качестве сенсора благодаря её повышенной чувствительности к слабым электрическим полям.