論文の概要: Biasing the quantum vacuum to control macroscopic probability distributions

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2303.03455v2
• Date: Mon, 24 Apr 2023 16:46:34 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-25 20:50:18.407022
• Title: Biasing the quantum vacuum to control macroscopic probability distributions
• Title（参考訳）: 量子真空の偏りによるマクロ確率分布の制御
• Authors: Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin, Jamison Sloan, Seou Choi, Gustavo Velez, Ethan Koskas, Nicholas Rivera, Steven E. Kooi, John D. Joannopoulos, Marin Soljacic
• Abstract要約: 真空レベルの「バイアス」場を多安定光学系に注入することで、「バイアス」量子ランダム性の制御可能な源が得られることを示す。 私たちはこのプロセスの背後にある物理学に光を当て、理論と実験の間の定量的な一致を示しました。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.8970998489527955
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: One of the most important insights of quantum field theory is that electromagnetic fields must fluctuate. Even in the vacuum state, the electric and magnetic fields have a nonzero variance, leading to ubiquitous effects such as spontaneous emission, the Lamb shift, the Casimir effect, and more. These "vacuum fluctuations" have also been harnessed as a source of perfect randomness, for example to generate perfectly random photonic bits. Despite these achievements, many potential applications of quantum randomness in fields such as probabilistic computing rely on controllable probability distributions, which have not yet been realized on photonic platforms. In this work, we show that the injection of vacuum-level "bias" fields into a multi-stable optical system enables a controllable source of "biased" quantum randomness. We demonstrate this concept in an optical parametric oscillator (OPO). Ordinarily, an OPO initiated from the ground state develops a signal field in one of two degenerate phase states (0 and $\pi$) with equal probability. By injecting bias pulses which contain less than one photon on average, we control the probabilities associated with the two output states, leading to the first controllable photonic probabilistic bit (p-bit). We shed light on the physics behind this process, showing quantitative agreement between theory and experiment. Finally, we demonstrate the potential of our approach for sensing sub-photon level fields by showing that our system is sensitive to the temporal shape of bias field pulses far below the single photon level. Our results suggest a new platform for the study of stochastic quantum dynamics in nonlinear driven-dissipative systems, and point toward possible applications in ultrafast photonic probabilistic computing, as well as the sensing of extremely weak fields.
• Abstract（参考訳）: 量子場理論の最も重要な洞察の1つは、電磁場は変動しなければならないということである。 真空状態においても、電場と磁場は非零分散を持ち、自発的放出、ラムシフト、カシミール効果などのユビキタスな効果をもたらす。 これらの「真空ゆらぎ」は完全なランダムネスの源としても利用され、例えば完全なランダムなフォトニックビットを生成する。 これらの成果にもかかわらず、確率計算のような分野における量子ランダム性は、フォトニックプラットフォームではまだ実現されていない制御可能な確率分布に依存する。 本研究では、真空レベルの「バイアス」場を多安定光学系に注入することで「バイアス」量子ランダム性の制御可能な源が得られることを示す。 我々はこの概念を光パラメトリック発振器(OPO)で実証する。 通常、基底状態から開始されるOPOは、同じ確率で2つの退化相状態 (0 と $\pi$) の1つの信号場を開発する。 平均的に1光子未満のバイアスパルスを注入することにより、2つの出力状態に関連する確率を制御し、初めて制御可能なフォトニック確率ビット(p-bit)を得る。 我々は、この過程の背後にある物理学に光を当て、理論と実験の間の定量的な一致を示した。 最後に,本システムは単一光子レベルよりはるかに低いバイアス場パルスの時間的形状に敏感であることを示すことにより,サブ光子レベル場を検知する手法の可能性を示す。 非線形駆動散逸系における確率的量子力学の研究のための新しいプラットフォームが提案され、超高速フォトニック確率計算への応用や、非常に弱い場の検出が期待できる。

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