麻省理工学院的研究人员利用“真空涨落”成功地控制了量子随机性，在概率计算方面取得了突破，具有潜在的广泛应用前景。

　　开创性的研究演示nstrates有限公司控制量子涨落，释放概率计算和超精确场传感的潜力。

　　来自麻省理工学院(MIT)的一组研究人员在量子技术方面取得了里程碑式的成就，首次展示了对量子随机性的控制。

　　研究小组专注于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完全没有物质和光的空间。然而，在量子世界中，即使是这个“空”的空间也会经历波动或变化。想象一下，平静的大海突然掀起波浪——这与量子水平上真空中的情况类似。在此之前，这些波动使科学家能够生成随机数。在过去的一百年里，量子科学家发现了许多令人着迷的现象，它们也是其中的原因。

　　从真空波动中产生可调随机数的实验装置。来源:Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin

　　这一发现最近发表在《科学》杂志上，由麻省理工学院博士后同事查尔斯·罗克斯-卡梅斯和亚尼克·萨拉明领导的一篇论文;麻省理工学院教授Marin solja

　　和John Joannopoulos;和同事。

　　新的计算方式

　　传统上，计算机以确定性的方式运行，按照一组预定义的规则和算法执行一步一步的指令。在这个范例中，如果多次运行相同的操作，总是得到完全相同的结果。这种确定性方法为我们的数字时代提供了动力，但它也有其局限性，特别是在模拟物理世界或优化复杂系统时，这些任务通常涉及大量的不确定性和随机性。

　　从量子真空中产生可调随机数的艺术插图。Credit: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。它们不只是提供一个单一的“正确”答案，而是提供一系列可能的结果及其相关的概率。这使得它们非常适合模拟物理现象和解决可能存在多个解决方案的优化问题，并且探索各种可能性可以导致更好的解决方案。

　　查尔斯·罗克斯-卡梅斯博士是这项研究的主要作者之一，他正在操作实验系统。来源:Anthony Tulliani

　　克服量子挑战

　　然而，概率计算的实际实现在历史上一直受到一个重大障碍的阻碍:缺乏对与量子随机性相关的概率分布的控制。然而，麻省理工学院团队进行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(一种自然产生随机数的光学系统)注入弱激光“偏置”，可以作为“偏置”量子随机性的可控来源。

　　“尽管对这些量子系统进行了广泛的研究，但非常弱的偏置场的影响尚未被探索，”该研究的研究员查尔斯·罗克斯-卡梅斯评论道。“我们对可控量子随机性的发现不仅使我们能够重新审视量子光学中几十年前的概念，而且还为概率计算和超精确场传感开辟了潜力。”

　　该团队已经成功展示了操纵与光学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比特(p-bit)。此外，该系统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。

　　雅尼克·萨拉明博士是这项研究的主要作者之一，他正在操作这个实验系统。Credit: Allyson Mac Basino

　　未来影响及展望

　　另一位团队成员Yannick Salamin评论说:“我们的光子p位生成系统目前允许每秒产生10,000位，每个位都可以遵循任意二项分布。我们预计这项技术将在未来几年内发展，从而实现更高速率的光子p位和更广泛的应用。”

　　麻省理工学院的Marin solja

　　教授强调了这项工作更广泛的意义:“通过使真空波动成为一个可控的元素，我们正在推动量子增强概率计算的可能边界。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。”

　　参考文献:Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin, Jamison Sloan, Seou Choi, Gustavo Velez, Ethan Koskas, Nicholas Rivera, Steven E. Kooi, John D. Joannopoulos和Marin solja

　　， 2023年7月13日，《科学》。DOI: 10.1126 / science.adh4920