La casualità governa molte cose, dalla crescita di colonie cellulari e dall'agglomerazione di polimeri alle forme dei viticci che si formano quando si versa la panna in una tazzina di caffè.

Già nel 1905, gli scienziati hanno descritto questi fenomeni apparentemente non correlati in modo unificato:come passeggiate casuali. Immaginando che singole particelle o molecole agiscano costantemente in una direzione casuale, i ricercatori hanno modellato con successo molte delle complessità della fisica classica.

Più recentemente, gli scienziati hanno portato l'idea di una passeggiata casuale nel mondo quantistico, dove i "camminatori" possono esibire comportamenti non classici come la sovrapposizione quantistica e l'entanglement. Queste passeggiate quantistiche casuali possono simulare sistemi quantistici e possono eventualmente essere utilizzate per implementare algoritmi di calcolo quantistico veloci. Però, ciò richiederà che il deambulatore si muova in più dimensioni (2-D e superiori), che è stato difficile da realizzare in modo pratico e scalabile.

Le passeggiate quantistiche che utilizzano i fotoni, le particelle quantistiche della luce, sono particolarmente promettenti, poiché i fotoni possono percorrere lunghe distanze come energia in forma d'onda. Però, i fotoni non trasportano una carica elettrica, che rende difficile controllare completamente il loro movimento. In particolare, i fotoni non rispondono ai campi magnetici, uno strumento importante per manipolare altre particelle come atomi o elettroni.

Per ovviare a queste carenze, i ricercatori del Joint Quantum Institute (JQI) hanno adottato un metodo scalabile per orchestrare passeggiate quantistiche casuali 2-D di fotoni, risultati che sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica . Il gruppo di ricerca, guidato dai borsisti JQI Edo Waks e Mohammad Hafezi, ha sviluppato campi magnetici sintetici in questa piattaforma che interagiscono con i fotoni e influenzano il movimento dei camminatori quantistici fotonici.

"La fotonica offre un'opportunità unica per studiare il comportamento di sistemi quantistici poco conosciuti, "dice Waks, che è anche membro dell'Istituto per la ricerca in elettronica e fisica applicata (IREAP) e professore di fisica e ingegneria elettrica e informatica presso l'Università del Maryland. "I concetti alla base di questo lavoro potrebbero aiutare i ricercatori a esplorare nuova materia sintetica che non esiste ancora ma potrebbe avere proprietà e applicazioni interessanti".

Precedenti studi sulle passeggiate quantistiche fotoniche hanno utilizzato reti ottiche complesse per creare percorsi reali attraverso lo spazio da seguire per i camminatori quantistici, dividere i fotoni in percorsi sinistro e destro in una passeggiata quantistica 1D. Ma imitando un cammino di dimensione superiore, in cui i fotoni possono salire, fuori uso, sinistra, giusto o oltre, è troppo ingombrante da implementare con tali sistemi.

Per affrontare questo problema, il team ha adottato un metodo più semplice per produrre una passeggiata quantistica fotonica. Invece di utilizzare complesse configurazioni ottiche per creare percorsi reali per i fotoni, hanno usato cavi in ​​fibra ottica di varie lunghezze per simulare le diverse direzioni in cui un camminatore fotonico potrebbe potenzialmente muoversi. Poiché i fotoni impiegano più tempo per viaggiare lungo una fibra più lunga, i tempi di viaggio possono codificare le diverse direzioni che un fotone può prendere.

Dirigendo i fotoni lungo una fibra casuale e reinstradandoli indietro attraverso il sistema ancora e ancora, gli autori potrebbero simulare una passeggiata quantistica casuale utilizzando ritardi temporali anziché posizioni fisiche, una semplificazione significativa rispetto ai metodi precedenti. Misurando i ritardi tra gli impulsi di fotoni dopo ogni passaggio, i ricercatori sono stati in grado di determinare fino a che punto le particelle di luce vagavano dalla loro posizione iniziale.

"L'aspetto positivo della nostra piattaforma è che può essere facilmente ridimensionato a dimensioni più elevate semplicemente utilizzando più cavi in ​​fibra ottica con lunghezze diverse, "dice Hamidreza Chalabi, un ricercatore post-dottorato presso l'IREAP e l'autore principale dello studio.

Nella loro dimostrazione di una passeggiata quantistica casuale in 2D, i ricercatori hanno creato un campo magnetico sintetico per i fotoni, qualcosa che un giorno potrebbe consentire passeggiate quantistiche più complesse o persino simulazioni di sistemi quantistici arbitrari. Modificando la natura ondulatoria degli impulsi fotonici in base alla direzione in cui si sono mossi ad ogni passo, il team ha creato un campo magnetico efficace sui camminatori. I ricercatori hanno quindi misurato la distanza percorsa dai camminatori dalle loro posizioni iniziali e hanno osservato che non sono andati così lontano come hanno fatto senza il campo, una soppressione prevista dalla teoria.

"Questo lavoro è un passo importante verso passeggiate quantistiche casuali basate sulla fotonica più pratiche, " dice Waks. "Esplorare come si comportano questi sistemi e come possiamo controllarli ci consentirà di eseguire simulazioni quantistiche più complesse".