Квантовата революция: учени от MIT създадоха първия в света управляем фотонен вероятностен бит
Квантовата случайност е уникално свойство на квантовата физика, което се проявява в така наречените „вакуумни флуктуации„. Вакуумът е пространство без материя или светлина, но на квантово ниво дори това „празно“ пространство е подложено на промени или флуктуации. Представете си спокойно море, което изведнъж е обхванато от вълни – подобно е на това, което се случва във вакуума. По-рано тези флуктуации даваха възможност на учените да генерират случайни числа. Те са отговорни и за много от удивителните явления, които учените, занимаващи се с квантови изследвания, откриха през последните сто години.
Откритията са публикувани в списание Science. Автори на статията са постдокторантите от Масачузетския технологичен институт Чарлз Рок-Карм и Яник Саламин, професорите от Масачузетския технологичен институт Марин Солячич, Джон Йоанопулос и техни колеги.
Традиционно компютрите работят в детерминистичен режим, изпълнявайки инструкции стъпка по стъпка, като следват набор от предварително определени правила и алгоритми. В тази парадигма, ако една и съща операция се изпълни многократно, винаги се получава един и същ резултат. Този детерминистичен подход е в основата на нашата цифрова ера, но той си има своите ограничения, особено когато става въпрос за моделиране на физическия свят или оптимизиране на сложни системи – задачи, които често включват огромно количество неопределеност и случайност.
Тук на сцената се появява концепцията за вероятностни изчисления. Вероятностните изчислителни системи използват присъщата на определени процеси случайност за извършване на изчисленията. Те не дават само един „правилен“ отговор, а предоставят набор от възможни резултати със съответните вероятности. Това ги прави подходящи за моделиране на физични явления и решаване на оптимизационни задачи, при които могат да съществуват множество решения и при които изследването на различни възможности може да доведе до най-доброто решение.
Въпреки това практическото прилагане на вероятностните изчисления в миналото се е сблъсквало с една основна пречка: липсата на контрол върху вероятностните разпределения, свързани с квантовата случайност. Изследване на екип от Масачузетския технологичен институт обаче разкрива възможно решение.
По-конкретно, учените са показали, че въвеждането на слабо лазерно „отклонение“ в оптичен параметричен осцилатор – оптична система, която по естествен начин генерира случайни числа – може да послужи като контролируем източник на изместена или отклонена“ квантова случайност.
„Въпреки обширните изследвания на тези квантови системи, влиянието на много слабото поле на отклонение остава неизследвано“, отбелязва Чарлз Рок-Карм, един от изследователите. „Нашето откритие на контролирана квантова случайност не само ни позволява да преразгледаме десетилетни концепции в квантовата оптика, но и открива потенциал във вероятностните изчисления“.
Екипът успешно демонстрира способността да манипулира вероятностите, свързани с изходните състояния на оптичен параметричен осцилатор, като по този начин създаде първия в света контролируем фотонен вероятностен бит (p-bit). Освен това системата показа чувствителност към времевите вариации на импулсите на отклоняващото се поле, дори далеч под нивото на един фотон.
Яник Саламин, друг член на екипа, отбелязва:
„Нашата фотонна система за генериране на р-битове понастоящем е способна да генерира 10 000 бита в секунда, всеки от които може да следва произволно биномно разпределение. Очакваме тази технология да се развие през следващите години, което ще доведе до по-високи скорости на фотонните р-битове и по-широк спектър от приложения“.
Професор Марин Солячич от Масачузетския технологичен институт (MIT) подчертава широките последици от работата:
„Като превръщаме вакуумните флуктуации в контролируем елемент, ние разширяваме границите на възможното в областта на квантовите вероятностни изчисления. Перспективата за моделиране на сложна динамика в области като комбинаторната оптимизация и симулациите на квантова хромодинамика върху кристална решетка е много вълнуваща“.