Syntetisk magnetisme leder fotoner på en 2-D kvantetur

Tilfældighed styrer mange ting, fra væksten af ​​cellekolonier og agglomerering af polymerer til formerne af tendrils, der dannes, når du hælder fløde i en kop kaffe.

Siden allerede i 1905, forskere har beskrevet disse tilsyneladende ikke -relaterede fænomener på en samlet måde:som tilfældige gåture. Ved at forestille sig, at individuelle partikler eller molekyler konstant tager skridt i en tilfældig retning, forskere har med succes modelleret mange af kompleksiteterne i klassisk fysik.

For nylig, forskere har bragt ideen om en tilfældig gåtur til kvanteverdenen, hvor "vandrerne" kan udvise ikke -klassisk adfærd som kvantesuperposition og sammenfiltring. Disse kvante tilfældige vandringer kan simulere kvantesystemer og kan i sidste ende bruges til at implementere hurtige kvanteberegningsalgoritmer. Imidlertid, dette vil kræve rollatoren at bevæge sig i flere dimensioner (2-D og højere), hvilket har været svært at opnå på en både praktisk og skalerbar måde.

Kvanteture, der bruger fotoner - kvantpartiklerne af lys - er særligt lovende, da fotoner kan rejse lange afstande som energi i bølgeform. Imidlertid, fotoner bærer ikke en elektrisk ladning, hvilket gør det svært at kontrollere deres bevægelse fuldt ud. I særdeleshed, fotoner reagerer ikke på magnetfelter - et vigtigt redskab til at manipulere andre partikler som atomer eller elektroner.

For at afhjælpe disse mangler, forskere ved Joint Quantum Institute (JQI) har vedtaget en skalerbar metode til orkestrering af 2-D kvante tilfældige vandringer af fotoner-resultater, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Forskergruppen, ledet af JQI Fellows Edo Waks og Mohammad Hafezi, udviklet syntetiske magnetfelter i denne platform, der interagerer med fotoner og påvirker bevægelsen af ​​fotoniske kvantevandrere.

"Fotonik giver en unik mulighed for at studere adfærden hos dårligt forståede kvantesystemer, "siger Waks, som også er medlem af Institute for Research in Electronics and Applied Physics (IREAP) og professor i fysik og el- og computerteknik ved University of Maryland. "Begreberne bag dette arbejde kan hjælpe forskere med at udforske nyt syntetisk stof, der endnu ikke eksisterer, men kan have interessante egenskaber og anvendelser."

Tidligere undersøgelser af fotoniske kvantevandringer brugte komplekse optiske netværk til at skabe egentlige veje gennem rummet, hvor kvantevandrere kan følge, opdeling af fotoner i venstre og højre vej i en 1D -kvantetur. Men efterligner en højere dimensionel gåtur-hvor fotoner kan gå op, ned, venstre, lige eller ud over - er for besværligt at implementere med sådanne systemer.

For at løse dette problem, holdet vedtog en enklere metode til fremstilling af en fotonisk kvantetur. I stedet for at bruge komplekse optiske opsætninger til at oprette faktiske veje for fotoner, de brugte fiberoptiske kabler i forskellige længder til at simulere de forskellige retninger, en fotonisk rollator potentielt kunne bevæge sig. Da det tager fotoner mere tid at rejse ned ad en længere fiber, rejsetiden kan kode de forskellige retninger en foton kan tage.

Ved at dirigere fotoner ned af en tilfældig fiber og omdirigere dem tilbage gennem systemet igen og igen, forfatterne kunne simulere en kvante tilfældig gang ved hjælp af tidsforsinkelser i stedet for fysiske positioner - en betydelig forenkling i forhold til tidligere metoder. Ved at måle forsinkelserne mellem fotonimpulser efter hvert trin, forskerne var i stand til at bestemme, hvor langt lyspartiklerne strejfede fra deres oprindelige placering.

"Det gode ved vores platform er, at den let kan skaleres til højere dimensioner ved blot at bruge flere fiberoptiske kabler med forskellige længder, "siger Hamidreza Chalabi, en postdoktor ved IREAP og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen.

I deres demonstration af en 2-D quantum random walk, forskerne skabte et syntetisk magnetfelt til fotonerne - noget der måske en dag muliggør mere komplekse kvanteture eller endda simuleringer af vilkårlige kvantesystemer. Ved at ændre fotonpulsernes bølgetype baseret på den retning, de bevægede sig ved hvert trin, holdet skabte et effektivt magnetfelt på vandrerne. Forskerne målte derefter, hvor langt vandrerne rejste fra deres oprindelige steder og observerede, at de ikke gik så langt som de gjorde uden feltet - en undertrykkelse forudsagt af teori.

"Dette arbejde er et vigtigt skridt i retning af mere praktiske fotonbaserede kvante tilfældige vandringer, "siger Waks." At undersøge, hvordan disse systemer opfører sig, og hvordan vi kan kontrollere dem, giver os mulighed for at udføre mere komplekse kvantsimuleringer. "