麻省理工學院（MIT）的一個研究小組實現了量子技術領域的一個里程碑，首次證明了對量子隨機性的控制。該研究小組的研究重點是量子物理學的一個獨特特徵，即”真空波動”。你可能會認為真空是一個沒有物質或光的完全空的空間。然而，在量子世界中，即使是這種”空”空間也會經歷波動或變化。

想像一下，平靜的海面突然起了波浪–這與量子層面的真空中發生的情況類似。在此之前，科學家們已經利用這些波動生成了隨機數。它們也是量子科學家在過去一百年中發現的許多迷人現象的原因。

利用真空波動生成可調諧隨機數的實驗裝置。圖片來源：Charles Roques-Carmes、Yannick Salamin

麻省理工學院博士後Charles Roques-Carmes 和Yannick Salamin、麻省理工學院教授Marin Soljačić 和John Joannopoulos 及其同事最近在《科學》（Science）雜誌上發表了一篇論文，對上述發現進行了描述。

傳統上，計算機以確定性的方式運行，按照一系列預定義的規則和算法逐步執行指令。在這種模式下，如果多次運行相同的操作，總會得到完全相同的結果。這種確定性方法為我們的數字時代打下了基礎，但也有其局限性，尤其是在模擬物理世界或優化複雜系統時，這些任務往往涉及大量的不確定性和隨機性。

從量子真空中生成可調隨機數的藝術插圖。圖片來源：陳磊

這就是概率計算概念發揮作用的地方。概率計算系統利用某些過程的內在隨機性來執行計算。它們不會只提供一個”正確”的答案，而是提供一系列可能的結果，每個結果都有其相關的概率。這使它們非常適合模擬物理現象和解決優化問題，因為在這些問題中可能存在多種解決方案，而對各種可能性的探索可以找到更好的解決方案。

工作的主要作者之一Charles Roques-Carmes 博士正在操作實驗系統。圖片來源：Anthony Tulliani

然而，概率計算的實際應用在歷史上一直受到一個重大障礙的阻礙：缺乏對量子隨機性相關概率分佈的控制。不過，麻省理工學院團隊開展的研究揭示了一種可能的解決方案。

具體來說，研究人員已經證明，向光學參量振盪器（一種自然生成隨機數的光學系統）注入微弱的激光”偏壓”，可以作為”偏壓”量子隨機性的可控源。

“儘管對這些量子系統進行了廣泛的研究，但非常微弱的偏置場的影響尚未得到探索，”該研究的研究員Charles Roques-Carmes 說。”我們發現的可控量子隨機性不僅讓我們能夠重新審視量子光學中已有幾十年曆史的概念，而且還為概率計算和超精確場傳感開闢了潛力。”

該團隊成功展示了操縱與光參量振盪器輸出狀態相關的概率的能力，從而創造了有史以來第一個可控光子概率位（p-bit）。此外，該系統還顯示出對偏置場脈衝時間振蕩的敏感性，甚至遠低於單光子水平。

工作的主要作者之一Yannick Salamin 博士正在操作實驗系統。資料來源：Allyson Mac Basino

團隊另一位成員Yannick Salamin 說：”我們的光子p 比特生成系統目前可以每秒生成10,000 個比特，每個比特都可以遵循任意的二項分佈。我們預計，這項技術將在未來幾年不斷發展，從而產生更高速率的光子p 位，並實現更廣泛的應用。”

麻省理工學院的Marin Soljačić 教授強調了這項工作的廣泛意義：”通過使真空波動成為可控元素，我們正在推動量子增強概率計算的發展。在組合優化和晶格量子色動力學模擬等領域模擬複雜動力學的前景非常令人興奮”。