Magnet sintetik menuntun foton berjalan kuantum 2-D
Tiga gambar teratas menunjukkan foton yang menyebar selama 2-D quantum random walk. Tiga gambar terbawah menunjukkan bagaimana perjalanan berubah ketika para peneliti menyalakan medan magnet sintetis, yang menekan seberapa jauh partikel-partikel kuantum cahaya dapat berkeliaran. Kredit: Joint Quantum Institute

Keacakan mengatur banyak hal, mulai dari pertumbuhan koloni sel dan aglomerasi polimer hingga bentuk sulur yang terbentuk ketika Anda menuangkan krim ke dalam secangkir kopi.

Sejak awal tahun 1905, para ilmuwan telah menggambarkan fenomena yang tampaknya tidak berhubungan ini dengan cara bersatu: berjalan secara acak . Dengan membayangkan bahwa partikel atau molekul individu secara konstan mengambil langkah-langkah dalam arah acak, para peneliti telah berhasil memodelkan banyak dari kompleksitas fisika klasik.

Baru-baru ini, para ilmuwan telah membawa gagasan jalan acak ke dunia kuantum , di mana “pejalan kaki” dapat menunjukkan perilaku non-klasik seperti superposisi dan keterikatan kuantum . Berjalan acak kuantum ini dapat mensimulasikan sistem kuantum dan pada akhirnya dapat digunakan untuk mengimplementasikan algoritma komputasi kuantum cepat. Namun, ini akan membutuhkan alat bantu jalan untuk bergerak dalam berbagai dimensi (2-D dan lebih tinggi), yang sulit dicapai dengan cara yang praktis dan dapat diukur.

Jalan kuantum yang menggunakan foton — partikel cahaya kuantum — sangat menjanjikan, karena foton dapat menempuh jarak jauh sebagai energi dalam bentuk gelombang. Namun, foton tidak membawa muatan listrik, yang membuatnya sulit untuk mengontrol gerakan mereka sepenuhnya. Secara khusus, foton tidak akan merespons medan magnet — alat penting untuk memanipulasi partikel lain seperti atom atau elektron.

Untuk mengatasi kekurangan ini, para peneliti di Joint Quantum Institute (JQI) telah mengadopsi metode scalable untuk mengatur 2-D quantum walks of photon – hasil yang baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters . Tim peneliti, yang dipimpin oleh JQI Fellows Edo Waks dan Mohammad Hafezi, mengembangkan medan magnet sintetis dalam platform ini yang berinteraksi dengan foton dan memengaruhi pergerakan walker kuantum fotonik.

“Photonics memberikan kesempatan unik untuk mempelajari perilaku sistem kuantum yang kurang dipahami,” kata Waks, yang juga anggota Lembaga Penelitian dalam Elektronika dan Fisika Terapan (IREAP) dan seorang profesor fisika dan teknik listrik dan komputer di Universitas Maryland. “Konsep di balik karya ini dapat membantu para peneliti untuk mengeksplorasi bahan sintetis baru yang belum ada tetapi dapat memiliki sifat dan aplikasi yang menarik.”

Studi sebelumnya tentang jalan kuantum fotonik menggunakan jaringan optik yang kompleks untuk membuat jalur aktual melalui ruang untuk mengikuti kuantum pejalan kaki, membelah foton menjadi jalur kiri dan kanan dalam jalan kuantum 1D. Tetapi meniru jalan dengan dimensi yang lebih tinggi — di mana foton dapat naik, turun, kiri, kanan atau lebih jauh — terlalu rumit untuk diimplementasikan dengan sistem seperti itu.

Untuk mengatasi masalah ini, tim mengadopsi metode yang lebih sederhana untuk menghasilkan jalan kuantum fotonik. Alih-alih menggunakan pengaturan optik yang rumit untuk membuat jalur sebenarnya untuk foton, mereka menggunakan kabel serat optik dengan panjang yang berbeda-beda untuk mensimulasikan berbagai arah yang bisa dilalui oleh walker fotonik . Karena foton membutuhkan lebih banyak waktu untuk melakukan perjalanan ke serat yang lebih panjang, waktu perjalanan dapat menyandikan arah berbeda yang dapat diambil oleh foton .

Dengan mengarahkan foton ke serat acak dan mengarahkannya kembali melalui sistem berulang kali, penulis dapat mensimulasikan jalan acak kuantum menggunakan penundaan waktu alih-alih posisi fisik — penyederhanaan yang signifikan dibandingkan dengan metode sebelumnya. Dengan mengukur penundaan antara pulsa foton setelah setiap langkah, para peneliti dapat menentukan seberapa jauh partikel cahaya berkeliaran dari lokasi awal mereka.

“Hal yang baik dengan platform kami adalah dapat dengan mudah diskalakan ke dimensi yang lebih tinggi hanya dengan menggunakan lebih banyak kabel serat optik dengan panjang yang berbeda,” kata Hamidreza Chalabi, seorang peneliti postdoctoral di IREAP dan penulis utama studi ini.

Dalam demonstrasi jalan kuantum 2-D acak, para peneliti menciptakan medan magnet sintetis untuk foton — sesuatu yang suatu hari dapat memungkinkan berjalan kuantum yang lebih kompleks atau bahkan simulasi sistem kuantum acak . Dengan memodifikasi sifat gelombang pulsa foton berdasarkan arah mereka bergerak pada setiap langkah, tim menciptakan medan magnet yang efektif pada alat bantu jalan. Para peneliti kemudian mengukur seberapa jauh para pejalan kaki melakukan perjalanan dari lokasi awal mereka dan mengamati bahwa mereka tidak pergi sejauh yang mereka lakukan tanpa medan — suatu penindasan yang diprediksi oleh teori.

“Pekerjaan ini merupakan langkah penting menuju berjalan acak kuantum berbasis fotonik yang lebih praktis,” kata Waks. “Menjelajahi bagaimana sistem ini berperilaku dan bagaimana kita dapat mengendalikannya akan memungkinkan kita untuk melakukan simulasi kuantum yang lebih kompleks.”

oleh Alexandra Brozena, Joint Quantum Institute

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *