Le hasard régit beaucoup de choses, de la croissance de colonies cellulaires et l'agglomération de polymères aux formes de vrilles qui se forment lorsque vous versez de la crème dans une tasse de café.

Depuis 1905, les scientifiques ont décrit ces phénomènes apparemment sans rapport d'une manière unifiée :comme des marches aléatoires. En imaginant que des particules ou des molécules individuelles font constamment des pas dans une direction aléatoire, les chercheurs ont modélisé avec succès bon nombre des complexités de la physique classique.

Plus récemment, les scientifiques ont apporté l'idée d'une marche aléatoire au monde quantique, où les « marcheurs » peuvent présenter des comportements non classiques comme la superposition quantique et l'intrication. Ces marches aléatoires quantiques peuvent simuler des systèmes quantiques et peuvent éventuellement être utilisées pour mettre en œuvre des algorithmes de calcul quantique rapides. Cependant, cela nécessitera que le marcheur se déplace dans plusieurs dimensions (2D et plus), ce qui a été difficile à réaliser d'une manière à la fois pratique et évolutive.

Les marches quantiques utilisant des photons - les particules quantiques de lumière - sont particulièrement prometteuses, puisque les photons peuvent parcourir de longues distances sous forme d'énergie sous forme d'onde. Cependant, les photons ne portent pas de charge électrique, ce qui rend difficile le contrôle total de leur mouvement. En particulier, les photons ne répondront pas aux champs magnétiques, un outil important pour manipuler d'autres particules comme les atomes ou les électrons.

Pour combler ces lacunes, des chercheurs du Joint Quantum Institute (JQI) ont adopté une méthode évolutive pour orchestrer des marches aléatoires quantiques 2D de photons - des résultats qui ont été récemment publiés dans la revue Lettres d'examen physique . L'équipe de recherche, dirigé par les boursiers JQI Edo Waks et Mohammad Hafezi, développé des champs magnétiques synthétiques dans cette plate-forme qui interagissent avec les photons et affectent le mouvement des marcheurs quantiques photoniques.

"La photonique offre une opportunité unique d'étudier le comportement de systèmes quantiques mal compris, " dit Waks, qui est également membre de l'Institute for Research in Electronics and Applied Physics (IREAP) et professeur de physique et de génie électrique et informatique à l'Université du Maryland. "Les concepts derrière ce travail pourraient aider les chercheurs à explorer de nouvelles matières synthétiques qui n'existent pas encore mais qui pourraient avoir des propriétés et des applications intéressantes."

Des études antérieures sur les marches quantiques photoniques utilisaient des réseaux optiques complexes pour créer de véritables voies à travers l'espace que les marcheurs quantiques devaient suivre, diviser les photons en chemins gauche et droit dans une marche quantique 1D. Mais en imitant une marche de dimension supérieure - dans laquelle les photons peuvent monter, vers le bas, la gauche, droit ou au-delà - est trop lourd à mettre en œuvre avec de tels systèmes.

Pour résoudre ce problème, l'équipe a adopté une méthode plus simple pour produire une marche quantique photonique. Au lieu d'utiliser des configurations optiques complexes pour créer de véritables voies pour les photons, ils ont utilisé des câbles à fibres optiques de différentes longueurs pour simuler les différentes directions qu'un marcheur photonique pourrait potentiellement se déplacer. Comme il faut plus de temps aux photons pour parcourir une fibre plus longue, les temps de trajet peuvent coder les différentes directions qu'un photon peut prendre.

En dirigeant les photons vers une fibre aléatoire et en les redirigeant à travers le système encore et encore, les auteurs ont pu simuler une marche aléatoire quantique en utilisant des délais au lieu de positions physiques, une simplification significative par rapport aux méthodes antérieures. En mesurant les délais entre les impulsions photoniques après chaque étape, les chercheurs ont pu déterminer à quelle distance les particules de lumière se sont déplacées de leur emplacement initial.

"La bonne chose avec notre plate-forme est qu'elle peut être facilement mise à l'échelle à des dimensions plus élevées simplement en utilisant plus de câbles à fibres optiques de différentes longueurs, " dit Hamidreza Chalabi, chercheur postdoctoral à l'IREAP et auteur principal de l'étude.

Dans leur démonstration d'une marche aléatoire quantique 2-D, les chercheurs ont créé un champ magnétique synthétique pour les photons, quelque chose qui pourrait un jour permettre des marches quantiques plus complexes ou même des simulations de systèmes quantiques arbitraires. En modifiant la nature ondulatoire des impulsions photoniques en fonction de la direction dans laquelle ils se sont déplacés à chaque pas, l'équipe a créé un champ magnétique efficace sur les marcheurs. Les chercheurs ont ensuite mesuré la distance parcourue par les marcheurs depuis leur emplacement initial et ont observé qu'ils n'allaient pas aussi loin qu'ils l'avaient fait sans le champ, une suppression prédite par la théorie.

"Ce travail est une étape importante vers des marches aléatoires quantiques plus pratiques basées sur la photonique, " dit Waks. " Explorer comment ces systèmes se comportent et comment nous pouvons les contrôler nous permettra d'effectuer des simulations quantiques plus complexes. "