麻省理工学院首次控制量子随机性

麻省理工学院（MIT）的一个研究小组实现了量子技术领域的一个里程碑，首次证明了对量子随机性的控制。该研究小组的研究重点是量子物理学的一个独特特征，即"真空波动"。你可能会认为真空是一个没有物质或光的完全空的空间。然而，在量子世界中，即使是这种"空"空间也会经历波动或变化。

想象一下，平静的海面突然起了波浪--这与量子层面的真空中发生的情况类似。在此之前，科学家们已经利用这些波动生成了随机数。它们也是量子科学家在过去一百年中发现的许多迷人现象的原因。

利用真空波动生成可调谐随机数的实验装置。图片来源：Charles Roques-Carmes、Yannick Salamin

麻省理工学院博士后 Charles Roques-Carmes 和 Yannick Salamin、麻省理工学院教授 Marin Soljačić 和 John Joannopoulos 及其同事最近在《科学》（Science）杂志上发表了一篇论文，对上述发现进行了描述。

传统上，计算机以确定性的方式运行，按照一系列预定义的规则和算法逐步执行指令。在这种模式下，如果多次运行相同的操作，总会得到完全相同的结果。这种确定性方法为我们的数字时代打下了基础，但也有其局限性，尤其是在模拟物理世界或优化复杂系统时，这些任务往往涉及大量的不确定性和随机性。

从量子真空中生成可调随机数的艺术插图。图片来源：陈磊

这就是概率计算概念发挥作用的地方。概率计算系统利用某些过程的内在随机性来执行计算。它们不会只提供一个"正确"的答案，而是提供一系列可能的结果，每个结果都有其相关的概率。这使它们非常适合模拟物理现象和解决优化问题，因为在这些问题中可能存在多种解决方案，而对各种可能性的探索可以找到更好的解决方案。

工作的主要作者之一 Charles Roques-Carmes 博士正在操作实验系统。图片来源：Anthony Tulliani

然而，概率计算的实际应用在历史上一直受到一个重大障碍的阻碍：缺乏对量子随机性相关概率分布的控制。不过，麻省理工学院团队开展的研究揭示了一种可能的解决方案。

具体来说，研究人员已经证明，向光学参量振荡器（一种自然生成随机数的光学系统）注入微弱的激光"偏压"，可以作为"偏压"量子随机性的可控源。

"尽管对这些量子系统进行了广泛的研究，但非常微弱的偏置场的影响尚未得到探索，"该研究的研究员 Charles Roques-Carmes 说。"我们发现的可控量子随机性不仅让我们能够重新审视量子光学中已有几十年历史的概念，而且还为概率计算和超精确场传感开辟了潜力。"

该团队成功展示了操纵与光参量振荡器输出状态相关的概率的能力，从而创造了有史以来第一个可控光子概率位（p-bit）。此外，该系统还显示出对偏置场脉冲时间振荡的敏感性，甚至远低于单光子水平。

工作的主要作者之一 Yannick Salamin 博士正在操作实验系统。资料来源：Allyson Mac Basino

团队另一位成员 Yannick Salamin 说："我们的光子 p 比特生成系统目前可以每秒生成 10,000 个比特，每个比特都可以遵循任意的二项分布。我们预计，这项技术将在未来几年不断发展，从而产生更高速率的光子 p 位，并实现更广泛的应用。"

麻省理工学院的 Marin Soljačić 教授强调了这项工作的广泛意义："通过使真空波动成为可控元素，我们正在推动量子增强概率计算的发展。在组合优化和晶格量子色动力学模拟等领域模拟复杂动力学的前景非常令人兴奋"。