Willekeur beheerst veel dingen, van de groei van celkolonies en de agglomeratie van polymeren tot de vormen van ranken die ontstaan ​​als je room in een kopje koffie giet.

Al sinds 1905, wetenschappers hebben deze schijnbaar niet-gerelateerde verschijnselen op een uniforme manier beschreven:als willekeurige wandelingen. Door je voor te stellen dat individuele deeltjes of moleculen voortdurend stappen in een willekeurige richting zetten, onderzoekers hebben met succes veel van de complexiteiten van de klassieke natuurkunde gemodelleerd.

Recenter, wetenschappers hebben het idee van een willekeurige wandeling naar de kwantumwereld gebracht, waar de "wandelaars" niet-klassiek gedrag kunnen vertonen, zoals kwantumsuperpositie en verstrengeling. Deze willekeurige kwantumwandelingen kunnen kwantumsystemen simuleren en kunnen uiteindelijk worden gebruikt om snelle kwantumcomputeralgoritmen te implementeren. Echter, dit vereist dat de rollator in meerdere dimensies beweegt (2-D en hoger), die moeilijk te bereiken was op een manier die zowel praktisch als schaalbaar is.

Kwantumwandelingen die fotonen gebruiken - de kwantumdeeltjes van licht - zijn bijzonder veelbelovend, aangezien fotonen lange afstanden kunnen afleggen als energie in golfvorm. Echter, fotonen dragen geen elektrische lading, waardoor het moeilijk is om hun beweging volledig te beheersen. Vooral, fotonen reageren niet op magnetische velden - een belangrijk hulpmiddel voor het manipuleren van andere deeltjes zoals atomen of elektronen.

Om deze tekortkomingen aan te pakken, onderzoekers van het Joint Quantum Institute (JQI) hebben een schaalbare methode aangenomen voor het orkestreren van 2D-quantum willekeurige wandelingen van fotonen - resultaten die onlangs in het tijdschrift zijn gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven . Het onderzoeksteam, geleid door JQI Fellows Edo Waks en Mohammad Hafezi, ontwikkelde in dit platform synthetische magnetische velden die interageren met fotonen en de beweging van fotonische kwantumwandelaars beïnvloeden.

"Fotonica biedt een unieke kans om het gedrag van slecht begrepen kwantumsystemen te bestuderen, " zegt Waaks, die ook lid is van het Institute for Research in Electronics and Applied Physics (IREAP) en hoogleraar natuurkunde en elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Maryland. "De concepten achter dit werk kunnen onderzoekers helpen om nieuwe synthetische materie te verkennen die nog niet bestaat, maar die interessante eigenschappen en toepassingen zou kunnen hebben."

Eerdere studies van fotonische kwantumwandelingen gebruikten complexe optische netwerken om werkelijke paden door de ruimte te creëren die kwantumwandelaars kunnen volgen, fotonen splitsen in linker- en rechterpaden in een 1D-kwantumwandeling. Maar het nabootsen van een hoger-dimensionale wandeling - waarin fotonen omhoog kunnen gaan, omlaag, links, rechts of verder - is te omslachtig om met dergelijke systemen te implementeren.

Om dit probleem aan te pakken, het team heeft een eenvoudigere methode aangenomen om een ​​fotonische kwantumwandeling te maken. In plaats van complexe optische opstellingen te gebruiken om daadwerkelijke paden voor de fotonen te creëren, ze gebruikten glasvezelkabels van verschillende lengtes om de verschillende richtingen te simuleren die een fotonische wandelaar mogelijk zou kunnen bewegen. Omdat fotonen meer tijd nodig hebben om door een langere vezel te reizen, de reistijden kunnen de verschillende richtingen coderen die een foton kan nemen.

Door fotonen door een willekeurige vezel te leiden en ze keer op keer terug door het systeem te leiden, de auteurs konden een kwantum-willekeurige wandeling simuleren met behulp van tijdvertragingen in plaats van fysieke posities - een aanzienlijke vereenvoudiging in vergelijking met eerdere methoden. Door de vertragingen tussen fotonpulsen na elke stap te meten, de onderzoekers konden bepalen hoe ver de lichtdeeltjes van hun oorspronkelijke locatie zwierven.

"Het goede aan ons platform is dat het eenvoudig kan worden opgeschaald naar hogere afmetingen door simpelweg meer glasvezelkabels met verschillende lengtes te gebruiken, " zegt Hamidreza Chalabi, een postdoctoraal onderzoeker bij IREAP en de hoofdauteur van de studie.

In hun demonstratie van een 2D quantum random walk, de onderzoekers creëerden een synthetisch magnetisch veld voor de fotonen - iets dat op een dag misschien complexere kwantumwandelingen of zelfs simulaties van willekeurige kwantumsystemen mogelijk maakt. Door het golfkarakter van de fotonpulsen te wijzigen op basis van de richting waarin ze zich bij elke stap bewogen, het team creëerde een effectief magnetisch veld op de wandelaars. De onderzoekers maten vervolgens hoe ver de wandelaars reisden vanaf hun oorspronkelijke locatie en merkten op dat ze niet zo ver kwamen als zonder het veld - een onderdrukking die door de theorie werd voorspeld.

"Dit werk is een belangrijke stap in de richting van meer praktische, op fotonische gebaseerde kwantum willekeurige wandelingen, ", zegt Waks. "Door te onderzoeken hoe deze systemen zich gedragen en hoe we ze kunnen controleren, kunnen we complexere kwantumsimulaties uitvoeren."