从真空控制量子随机性

麻省理工学院的一组研究人员在量子技术领域取得了里程碑式的成就，首次证明了量子随机性的控制。

研究小组专注于量子物理学的一个独特特征，即“真空涨落”。您可能会认为真空是一个完全空旷的空间，没有物质或光。然而，在量子世界中，即使是这个“空”的空间也会发生波动或变化。想象一下平静的大海突然掀起波浪——这类似于量子层面的真空中发生的情况。此前，这些波动使科学家能够生成随机数。它们还造成了量子科学家在过去百年中发现的许多令人着迷的现象。

今天，麻省理工学院博士后研究员 Charles Roques-Carmes 和 Yannick Salamin 领导的一篇论文在《科学》杂志上描述了这些发现;麻省理工学院教授 Marin Soljačić 和 John Joannopoulos;和同事。

传统上，计算机以确定性方式运行，执行遵循一组预定义规则和算法的逐步指令。在此范例中，如果多次运行相同的操作，您总是会得到完全相同的结果。这种确定性方法为我们的数字时代提供了动力，但它也有其局限性，特别是在模拟物理世界或优化复杂系统时，这些任务通常涉及大量的不确定性和随机性。

这就是概率计算概念发挥作用的地方。概率计算系统利用某些过程的固有随机性来执行计算。它们不只是提供一个“正确”答案，而是提供一系列可能的结果，每个结果都有其相关的概率。这本质上使它们非常适合模拟物理现象和解决优化问题，其中可能存在多种解决方案，并且探索各种可能性可以带来更好的解决方案。

然而，概率计算的实际实施在历史上一直受到一个重大障碍的阻碍：缺乏对与量子随机性相关的概率分布的控制。但麻省理工学院团队进行的研究揭示了一种可能的解决方案。

具体来说，研究人员已经证明，将弱激光“偏置”注入光学参量振荡器(自然生成随机数的光学系统)可以作为“偏置”量子随机性的可控源。

该研究的研究员查尔斯·罗克斯·卡姆斯 (Charles Roques-Carmes) 表示：“尽管对这些量子系统进行了广泛的研究，但非常弱的偏置场的影响尚未得到探索。” “我们对可控量子随机性的发现不仅使我们能够重新审视量子光学中几十年前的概念，而且还开辟了概率计算和超精确场传感的潜力。”

该团队成功展示了操纵与光学参量振荡器输出状态相关的概率的能力，从而创建了第一个可控光子概率位(p位)。此外，该系统对偏置场脉冲的时间振荡表现出敏感性，甚至远低于单光子水平。

另一位团队成员 Yannick Salamin 评论道：“我们的光子 p 比特生成系统目前允许每秒生成 10,000 比特，每个比特都可以遵循任意二项式分布。我们预计这项技术将在未来几年内不断发展，带来更高速率的光子p位和更广泛的应用。”

麻省理工学院的 Marin Soljačić 教授强调了这项工作的更广泛含义：“通过使真空波动成为可控元素，我们正在突破量子增强概率计算的可能性界限。在组合优化等领域模拟复杂动力学的前景晶格量子色动力学模拟非常令人兴奋。”