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合成磁性在2D量子步态上引导光子

2019-12-25 10:56:06 • 来源：

随机性控制着很多事情，从细胞集落的生长和聚合物的团聚到将奶油倒入一杯咖啡时形成的卷须形状。

自1905年以来，科学家就以统一的方式描述了这些看似无关的现象：随机游走。通过想象单个粒子或分子不断在随机方向上迈进，研究人员成功地对许多经典物理学的复杂性进行了建模。

合成磁性在2D量子步态上引导光子

最近，科学家将随机游走的想法带到了量子世界，在这里，“ 游走者”可以表现出非经典行为，例如量子叠加和纠缠。这些量子随机游走可以模拟量子系统，并且最终可以用于实现快速的量子计算算法。但是，这将需要助行器在多个维度(2-D或更高)上移动，这很难以实用且可扩展的方式实现。

使用光子(光的量子粒子)的量子行走特别有前途，因为光子可以以能量形式传播很长的距离。但是，光子不带电荷，因此很难完全控制其运动。特别是，光子不会对磁场作出反应，这是操纵其他粒子(例如原子或电子)的重要工具。

为了解决这些缺点，联合量子研究所(JQI)的研究人员采用了一种可伸缩的方法来编排光子的二维量子随机游动，该结果最近发表在《物理评论快报》上。由JQI研究员Edo Waks和Mohammad Hafezi领导的研究小组在该平台上开发了与光子相互作用并影响光子量子步行者运动的合成磁场。

瓦克斯(Waks)也是电子与应用物理研究所(IREAP)的成员，也是该大学的物理学，电气与计算机工程学教授，他说：“光子学为研究人们对量子系统的了解提供了独特的机会。马里兰大学。“这项工作背后的概念可以帮助研究人员探索尚不存在但可能具有有趣性质和应用的新合成物质。”

先前对光子量子行走的研究使用复杂的光学网络来创建穿过空间的实际路径，以供量子行走者遵循，将一维量子行走中的光子分为左右路径。但是，模仿高维行走(光子可以在其中上，下，左，右或超出该范围)，对于此类系统而言太麻烦了。

为了解决这个问题，研究小组采用了一种更简单的方法来产生光子量子行走。他们没有使用复杂的光学装置为光子创建实际的路径，而是使用不同长度的光纤电缆来模拟光子助行器可能移动的不同方向。由于光子沿着更长的光纤传播需要更多的时间，因此传播时间可以编码光子可以采取的不同方向。

通过将光子射向随机光纤，并一次又一次地将它们重新路由回系统，作者可以使用时间延迟而不是物理位置来模拟量子随机游动，与以前的方法相比，这是一个极大的简化。通过测量每一步之后光子脉冲之间的延迟，研究人员能够确定光粒子从其初始位置漫游了多远。

IREAP的博士后研究员，研究的主要作者Hamidreza Chalabi说：“我们平台的优点是，只需使用更多不同长度的光缆，就可以轻松地将其缩放到更大的尺寸。”

在对二维量子随机游动的演示中，研究人员为光子创建了一个合成磁场 -有一天可能允许进行更复杂的量子游走，甚至可以模拟任意量子系统。通过根据光子脉冲在每一步中移动的方向来修改其光波性质，该团队在助行器上创建了一个有效磁场。然后，研究人员测量了步行者从其初始位置走了多远，并观察到步行者没有走到没有野外时的走远-这是理论上的预测。

瓦克斯说：“这项工作是朝着更实用的基于光子的量子随机游走迈出的重要一步。” “探索这些系统的行为方式以及我们如何控制它们将使我们能够执行更复杂的量子仿真。”

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