La aleatoriedad gobierna muchas cosas, desde el crecimiento de colonias celulares y la aglomeración de polímeros hasta las formas de zarcillos que se forman cuando vierte crema en una taza de café.

Desde 1905, Los científicos han descrito estos fenómenos aparentemente no relacionados de una manera unificada:como paseos al azar. Al imaginar que partículas o moléculas individuales están constantemente dando pasos en una dirección aleatoria, los investigadores han modelado con éxito muchas de las complejidades de la física clásica.

Más recientemente, Los científicos han traído la idea de un paseo aleatorio al mundo cuántico, donde los "caminantes" pueden exhibir comportamientos no clásicos como la superposición cuántica y el entrelazamiento. Estos paseos aleatorios cuánticos pueden simular sistemas cuánticos y eventualmente pueden usarse para implementar algoritmos rápidos de computación cuántica. Sin embargo, esto requerirá que el andador se mueva en múltiples dimensiones (2-D y superiores), que ha sido difícil de lograr de una manera práctica y escalable.

Los paseos cuánticos que utilizan fotones, las partículas cuánticas de luz, son particularmente prometedores, ya que los fotones pueden viajar largas distancias como energía en forma de onda. Sin embargo, los fotones no llevan carga eléctrica, lo que dificulta el control total de su movimiento. En particular, los fotones no responden a los campos magnéticos, una herramienta importante para manipular otras partículas como átomos o electrones.

Para abordar estas deficiencias, Los investigadores del Joint Quantum Institute (JQI) han adoptado un método escalable para orquestar paseos aleatorios cuánticos bidimensionales de fotones, resultados que se publicaron recientemente en la revista. Cartas de revisión física . El equipo de investigación dirigido por los becarios de JQI Edo Waks y Mohammad Hafezi, desarrollaron campos magnéticos sintéticos en esta plataforma que interactúan con los fotones y afectan el movimiento de los caminantes cuánticos fotónicos.

"La fotónica brinda una oportunidad única para estudiar el comportamiento de sistemas cuánticos poco entendidos, "dice Waks, quien también es miembro del Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada (IREAP) y profesor de física e ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Maryland. "Los conceptos detrás de este trabajo podrían ayudar a los investigadores a explorar nueva materia sintética que aún no existe pero que podría tener propiedades y aplicaciones interesantes".

Estudios previos de paseos cuánticos fotónicos utilizaron redes ópticas complejas para crear caminos reales a través del espacio para que los sigan los caminantes cuánticos. dividiendo fotones en caminos izquierdo y derecho en un paseo cuántico 1D. Pero imitando una caminata de dimensiones superiores, en la que los fotones pueden subir, abajo, izquierda, derecho o más allá:es demasiado engorroso de implementar con tales sistemas.

Para abordar este problema, el equipo adoptó un método más simple para producir una caminata cuántica fotónica. En lugar de utilizar configuraciones ópticas complejas para crear rutas reales para los fotones, utilizaron cables de fibra óptica de diferentes longitudes para simular las diferentes direcciones en las que podría moverse un caminante fotónico. Dado que los fotones tardan más en viajar por una fibra más larga, los tiempos de viaje pueden codificar las diferentes direcciones que puede tomar un fotón.

Dirigiendo fotones hacia una fibra aleatoria y redirigiéndolos a través del sistema una y otra vez, los autores pudieron simular una caminata aleatoria cuántica utilizando retrasos de tiempo en lugar de posiciones físicas, una simplificación significativa en comparación con los métodos anteriores. Midiendo los retrasos entre los pulsos de fotones después de cada paso, los investigadores pudieron determinar qué tan lejos vagaban las partículas de luz desde su ubicación inicial.

"Lo bueno de nuestra plataforma es que se puede escalar fácilmente a dimensiones más altas simplemente usando más cables de fibra óptica con diferentes longitudes, "dice Hamidreza Chalabi, investigador postdoctoral en IREAP y autor principal del estudio.

En su demostración de un paseo aleatorio cuántico en 2-D, los investigadores crearon un campo magnético sintético para los fotones, algo que algún día podría permitir caminatas cuánticas más complejas o incluso simulaciones de sistemas cuánticos arbitrarios. Al modificar la naturaleza ondulatoria de los pulsos de fotones en función de la dirección en la que se mueven en cada paso, el equipo creó un campo magnético efectivo en los caminantes. Luego, los investigadores midieron qué tan lejos viajaron los caminantes desde sus ubicaciones iniciales y observaron que no llegaron tan lejos como lo hicieron sin el campo, una supresión predicha por la teoría.

"Este trabajo es un paso importante hacia paseos aleatorios cuánticos basados ​​en fotones más prácticos, ", dice Waks." Explorar cómo se comportan estos sistemas y cómo podemos controlarlos nos permitirá realizar simulaciones cuánticas más complejas ".