Spirala światła rewolucjonizuje obliczenia kwantowe

Naukowcy zidentyfikowali nowe zjawisko wirowe obejmujące interakcje fotonów, które może prowadzić do ulepszeń obliczeń kwantowych. W wyniku eksperymentów z gęstym gazem rubidu zaobserwowali unikalne przejścia fazowe, które naśladowały inne wiry, ale różniły się efektami kwantowymi. Źródło: SciTechDaily.com

Nowe badanie fotonów w informatyce kwantowej dokonało zaskakującego odkrycia: gdy fotony zderzają się, tworzą wiry.

Naukowcy z Instytutu Naukowego Weizmanna odkryli nowy typ wiru składający się z… Foton Interakcje, które mogą się rozwijać Statystyka ilościowa.

Zjawiska wirowe

Wiry są szeroko rozpowszechnionym zjawiskiem naturalnym i można je zaobserwować w wirujących formacjach galaktyk i huraganów, a także w prostszych miejscach, takich jak poruszająca się filiżanka herbaty lub płynąca woda w wannie. Zwykle wiry powstają, gdy szybko poruszająca się substancja, taka jak powietrze lub woda, napotyka wolniej poruszający się obszar, tworząc ruch kołowy wokół stałej osi. Zasadniczo wiry działają na rzecz pogodzenia różnic w prędkościach przepływu pomiędzy sąsiednimi obszarami.

Pierścień wirowy i linie powstałe w wyniku wzajemnego oddziaływania trzech fotonów. Kolor opisuje fazę pola elektrycznego, które wykonuje obrót o 360 stopni wokół rdzenia wiru. Źródło: Instytut Naukowy Weizmanna

Odkrycie nowego typu wiru

W badaniu opublikowanym w 2018 roku odkryto nieznany wcześniej rodzaj wiru NaukiPrzeprowadzili je dr Lee Drury, dr Bankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar i dr Gal Weiner z laboratorium profesora Ofera Firstenberga na Wydziale Fizyki Układów Złożonych Instytutu Nauki Weizmanna. Naukowcy postanowili szukać skutecznego sposobu wykorzystania fotonów do przetwarzania danych w komputerach kwantowych i odkryli coś nieoczekiwanego: zdali sobie sprawę, że w rzadkich przypadkach dwa fotony oddziałują, tworząc wiry. Odkrycie to nie tylko pogłębia podstawową wiedzę na temat wirów, ale może ostatecznie przyczynić się do osiągnięcia pierwotnego celu badania, jakim jest usprawnienie przetwarzania danych w obliczeniach kwantowych.

Interakcje fotonów i obliczenia kwantowe

Interakcja pomiędzy fotonami – cząsteczkami światła, które również zachowują się jak fale – jest możliwa tylko w obecności substancji pełniącej rolę mediatora. W swoim eksperymencie naukowcy zmusili fotony do interakcji, tworząc unikalne środowisko: szklane ogniwo o średnicy 10 centymetrów, które było całkowicie puste, z wyjątkiem atomów rubidu, które były tak ciasno upakowane w środku pojemnika, że ​​utworzyły mały, gęsty gaz. Chmura o długości około 1 mm. Naukowcy przepuszczali przez tę chmurę coraz więcej fotonów, sprawdzali ich stan podczas przechodzenia przez nią i sprawdzali, czy w jakikolwiek sposób wpływają na siebie nawzajem.

Kiedy chmura gazu była najgęstsza, a fotony znajdowały się blisko siebie, wywierały one najwyższy poziom wzajemnego wpływu.

Oddziaływania dynamiczne w gęstych obłokach gazu

„Kiedy fotony przechodzą przez gęstą chmurę gazu, wysyłają pewną liczbę atomów w stany wzbudzone elektronicznie, zwane stanami Rydberga” – wyjaśnia Firstenberg. „W takich przypadkach jeden z elektronów w kukurydza Zaczyna poruszać się po orbicie 1000 razy większej niż średnica niewzbudzonego atomu. Elektron ten wytwarza pole elektryczne, które oddziałuje na dużą liczbę sąsiednich atomów, zamieniając je w rodzaj wyimaginowanej „szklanej kuli”.

Obraz szklanej kuli odzwierciedla fakt, że drugi foton w tym obszarze nie może zignorować otoczenia utworzonego przez pierwszy foton i w odpowiedzi zmienia swoją prędkość – tak jakby przeszedł przez szybę. Dlatego też, gdy dwa fotony przechodzą stosunkowo blisko siebie, poruszają się z inną prędkością, niż gdyby każdy z nich poruszał się osobno. Kiedy zmienia się prędkość fotonu, zmienia się także położenie szczytów i dolin niesionej przez niego fali. W idealnym przypadku wykorzystania fotonów w obliczeniach kwantowych pozycje szczytów i dolin stają się dokładnie odwrócone względem siebie ze względu na wzajemne oddziaływanie fotonów – zjawisko znane jako przesunięcie fazowe o 180 stopni.

Od lewego dolnego rogu zgodnie z ruchem wskazówek zegara: D. Lee Drury, Tomer Danino Zohar, dr. Aleksander Poddubny, profesor Ofer Firstenberg, dr. Gal Weiner, dr. Elona Boehma, dr. Bankima Chandra Dasa. Źródło: Instytut Naukowy Weizmanna

Pionierskie badania nad dynamiką fotonów

Kierunek badań był równie wyjątkowy i niezwykły, jak ścieżki fotonów w chmurze gazu. Badanie, w którym uczestniczyli także dr Elon Boehm i dr Alexander Poddubny, rozpoczęło się osiem lat temu, a przez laboratorium Firstenberga przewinęły się dwa pokolenia doktorantów.

Z biegiem czasu naukowcom Weizmanna udało się stworzyć gęstą, niezwykle zimną chmurę gazu pełną atomów. W rezultacie osiągnęli coś bezprecedensowego: fotony uległy przesunięciu fazowemu o 180 stopni, a czasem nawet więcej. Kiedy chmura gazu była najgęstsza, a fotony znajdowały się blisko siebie, wywierały one najwyższy poziom wzajemnego wpływu. Jednak w miarę jak fotony oddalały się od siebie lub otaczająca je gęstość atomowa malała, przejście fazowe osłabło i zniknęło.

Zaskakujące zachowanie wirów fotonowych

Dominowało założenie, że osłabienie to będzie procesem stopniowym, ale badaczy spotkała niespodzianka: para wirów powstała, gdy dwa fotony znalazły się w pewnej odległości. W każdym z tych wirów fotony dokonały 360-stopniowego przesunięcia fazowego, a w ich centrum prawie w ogóle nie było fotonów – podobnie jak w ciemnym centrum, które znamy z innych wirów.

Naukowcy odkryli, że obecność jednego fotonu wpływa na 50 000 atomów, co z kolei wpływa na ruch drugiego fotonu.

Wgląd w dynamikę wirów fotonowych

Aby zrozumieć wiry fotonowe, pomyśl o tym, co się dzieje, gdy przeciągasz pionową płytę przez wodę. Szybki ruch wody wypychanej przez płytę spotyka się z powolnym ruchem wokół niej. Tworzy to dwa wiry, które patrząc z góry wydają się poruszać razem wzdłuż powierzchni wody, ale w rzeczywistości stanowią część trójwymiarowej formacji zwanej pierścieniem wirowym: zanurzona część płyty tworzy półpierścień która łączy dwa wiry widoczne na powierzchni, tworząc Zmusza je do wspólnego poruszania się.

Innym znanym przykładem pierścieni wirowych są pierścienie dymne. Na końcowych etapach badań naukowcy zaobserwowali to zjawisko, wprowadzając trzeci foton, dodając do wyników dodatkowy wymiar: naukowcy odkryli, że dwa wiry zaobserwowane podczas pomiaru dwóch fotonów są częścią trójwymiarowego pierścienia wirowego powstałego od wzajemnego oddziaływania trzech fotonów. Wyniki te pokazują, jak podobne są nowo odkryte wiry do tych znanych z innych środowisk.

Postęp w kierunku kwantowego przetwarzania danych

Być może wiry przyciągnęły uwagę tego badania, ale badacze nadal pracują nad osiągnięciem swojego celu, jakim jest przetwarzanie danych kwantowych. Kolejnym etapem badań będzie wzajemne strzelanie fotonów i pomiar przesunięcia fazowego każdego fotonu z osobna. W zależności od siły przesunięć fazowych fotony można wykorzystać w postaci kubitów – podstawowych jednostek informacji w obliczeniach kwantowych. W przeciwieństwie do zwykłych modułów pamięci komputera, które mogą mieć wartość 0 lub 1, kubity mogą reprezentować zakres wartości od 0 do 1 na raz.

Odniesienie: „Kwantowe wiry silnie oddziałujących fotonów” Lee Drury’ego, Bankima Chandry Dasa, Tomera Danino Zohara, Gal Weinera, Elona Boehma, Alexandra Poddubnego i Ofera Firstenberga, 13 lipca 2023 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.adh5315