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隨機(jī)行走的想法，被成功帶入量子世界，也有量子糾纏和疊加行為！

2020-03-30 16:18 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

隨機(jī)性支配著許多事情，從細(xì)胞集落的生長(zhǎng)和聚合物的聚集，到你把奶油倒進(jìn)一杯咖啡時(shí)形成的卷須形狀。早在1905年，科學(xué)家們就用統(tǒng)一的方式描述了這些看似無(wú)關(guān)的現(xiàn)象：隨機(jī)行走。

通過(guò)想象單個(gè)粒子或分子不斷地朝著隨機(jī)方向前進(jìn)，研究人員已經(jīng)成功地模擬了經(jīng)典物理的許多復(fù)雜性?，F(xiàn)在科學(xué)家們將隨機(jī)行走的想法帶到了量子世界，在那里“步行者”可以表現(xiàn)出量子疊加和糾纏等非經(jīng)典行為。

這些量子隨機(jī)游動(dòng)可以模擬量子系統(tǒng)，最終可能被用來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的量子計(jì)算算法。然而，這將需要步行器在多個(gè)維度(二維或更高)移動(dòng)，這已經(jīng)很難通過(guò)實(shí)用和可擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)。使用光子的量子行走特別有希望，因?yàn)楣庾涌梢砸圆ǖ男问?，以能量形式傳播很遠(yuǎn)的距離。然而，光子不帶電荷，這就很難完全控制它們的運(yùn)動(dòng)。特別值得一提的是，光子不會(huì)對(duì)磁場(chǎng)做出反應(yīng)，磁場(chǎng)是操縱原子或電子等其他粒子的重要工具。

為了解決這些缺點(diǎn)，聯(lián)合量子研究所(JQI)的研究人員，采用了一種可擴(kuò)展的方法來(lái)協(xié)調(diào)二維量子隨機(jī)光子行走，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。由聯(lián)合量子研究所研究員Edo Waks和Mohammad Hafezi領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，在這個(gè)平臺(tái)上開發(fā)了與光子相互作用并影響光子量子步行者運(yùn)動(dòng)的合成磁場(chǎng)。馬里蘭大學(xué)的物理、電氣和計(jì)算機(jī)工程教授，電子和應(yīng)用物理研究所(IREAP)的成員瓦克斯說(shuō)：光子學(xué)為研究知之甚少的量子系統(tǒng)行為提供了一個(gè)獨(dú)特機(jī)會(huì)。

這項(xiàng)研究背后的概念，可以幫助研究人員探索新的合成物質(zhì)，這些物質(zhì)還不存在，但可能具有有趣的特性和應(yīng)用。之前對(duì)光子量子行走的研究使用復(fù)雜光學(xué)網(wǎng)絡(luò)來(lái)創(chuàng)建穿越空間的實(shí)際路徑，供量子步行者遵循，在一維量子行走中將光子分裂為左路徑和右路徑。但是，模仿高維行走（光子可以向上、向下、向左、向右或超越）在這樣的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)起來(lái)太麻煩了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究小組采用了一種更簡(jiǎn)單的方法來(lái)產(chǎn)生光子量子行走。

研究沒有使用復(fù)雜的光學(xué)裝置來(lái)創(chuàng)建光子實(shí)際路徑，而是使用不同長(zhǎng)度的光纜來(lái)模擬光子步行者可能移動(dòng)的不同方向。由于光子沿著較長(zhǎng)光纖傳播需要更長(zhǎng)的時(shí)間，因此傳播時(shí)間可以編碼光子可以走的不同方向。通過(guò)將光子引導(dǎo)到隨機(jī)光纖下，并一次又一次地將它們重新路由回系統(tǒng)，研究人員可以使用時(shí)間延遲而不是物理位置來(lái)模擬量子隨機(jī)行走，與之前的方法相比，這是一個(gè)顯著的簡(jiǎn)化。通過(guò)測(cè)量每一步后光子脈沖之間的延遲，研究人員能夠確定光粒子從它們的初始位置漫游了多遠(yuǎn)。

好處是，只需使用更多不同長(zhǎng)度的光纜，就可以很容易地將其擴(kuò)展到更高的維度。在二維量子隨機(jī)行走演示中，研究人員為光子創(chuàng)造了一個(gè)合成磁場(chǎng)，有朝一日，這種磁場(chǎng)可能會(huì)讓更復(fù)雜的量子行走，甚至可以模擬任意量子系統(tǒng)。通過(guò)根據(jù)光子脈沖在每一步移動(dòng)的方向修改其波動(dòng)性質(zhì)，研究小組在步行者身上創(chuàng)造了一個(gè)有效的磁場(chǎng)。這項(xiàng)研究是邁向更實(shí)用基于光子量子隨機(jī)行走的重要一步，探索這些系統(tǒng)如何運(yùn)作，以及如何控制它們，將使我們能夠進(jìn)行更復(fù)雜的量子模擬。