Slumpmässighet styr många saker, från tillväxten av cellkolonier och agglomereringen av polymerer till formerna av rankor som bildas när du häller grädde i en kopp kaffe.

Sedan så tidigt som 1905, forskare har beskrivit dessa till synes orelaterade fenomen på ett enhetligt sätt:som slumpmässiga promenader. Genom att föreställa sig att enskilda partiklar eller molekyler ständigt tar steg i en slumpmässig riktning, forskare har framgångsrikt modellerat många av komplexiteten i klassisk fysik.

På senare tid, forskare har fört idén om en slumpmässig promenad till kvantvärlden, där "vandrarna" kan uppvisa icke-klassiska beteenden som quantum superposition och intrassling. Dessa slumpmässiga kvantvandringar kan simulera kvantsystem och kan så småningom användas för att implementera snabba kvantberäkningsalgoritmer. Dock, detta kräver att rullatorn rör sig i flera dimensioner (2-D och högre), vilket har varit svårt att uppnå på ett sätt som är både praktiskt och skalbart.

Kvantvandringar som använder fotoner - ljusets kvantpartiklar - är särskilt lovande, eftersom fotoner kan resa långa sträckor som energi i vågform. Dock, fotoner bär inte en elektrisk laddning, vilket gör det svårt att helt kontrollera deras rörelse. Särskilt, fotoner kommer inte att reagera på magnetfält - ett viktigt verktyg för att manipulera andra partiklar som atomer eller elektroner.

För att komma till rätta med dessa brister, forskare vid Joint Quantum Institute (JQI) har antagit en skalbar metod för att orkestrera 2D-kvantomgångar av fotoner – resultat som nyligen publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev . Forskargruppen, leds av JQI Fellows Edo Waks och Mohammad Hafezi, utvecklat syntetiska magnetfält i denna plattform som interagerar med fotoner och påverkar rörelsen hos fotoniska kvantvandrare.

"Photonics ger en unik möjlighet att studera beteendet hos dåligt förstådda kvantsystem, säger Waks, som också är medlem av Institute for Research in Electronics and Applied Physics (IREAP) och professor i fysik och elektro- och datorteknik vid University of Maryland. "Koncepten bakom detta arbete kan hjälpa forskare att utforska nytt syntetiskt material som ännu inte existerar men som kan ha intressanta egenskaper och tillämpningar."

Tidigare studier av fotoniska kvantvandringar använde komplexa optiska nätverk för att skapa faktiska vägar genom rymden för kvantvandrare att följa, dela fotoner i vänster och höger vägar i en 1D-kvantvandring. Men genom att efterlikna en högre dimensionell promenad – där fotoner kan gå upp, ner, vänster, höger eller bortom — är för besvärligt att implementera med sådana system.

För att lösa detta problem, teamet antog en enklare metod för att producera en fotonisk kvantvandring. Istället för att använda komplexa optiska inställningar för att skapa faktiska vägar för fotonerna, de använde fiberoptiska kablar av olika längd för att simulera de olika riktningarna en fotonisk vandrare skulle kunna röra sig. Eftersom det tar längre tid för fotoner att färdas ner i en längre fiber, restiderna kan koda de olika riktningarna en foton kan ta.

Genom att styra fotoner ner i en slumpmässig fiber och omdirigera dem tillbaka genom systemet om och om igen, författarna kunde simulera en slumpmässig kvantvandring med tidsfördröjningar istället för fysiska positioner - en betydande förenkling jämfört med tidigare metoder. Genom att mäta fördröjningarna mellan fotonpulser efter varje steg, forskarna kunde avgöra hur långt ljuspartiklarna strövade från sin ursprungliga plats.

"Det som är bra med vår plattform är att den enkelt kan skalas till högre dimensioner helt enkelt genom att använda fler fiberoptiska kablar med olika längder, " säger Hamidreza Chalabi, en postdoktor vid IREAP och huvudförfattaren till studien.

I deras demonstration av en 2D kvantomgång, forskarna skapade ett syntetiskt magnetfält för fotonerna – något som en dag kan möjliggöra mer komplexa kvantvandringar eller till och med simuleringar av godtyckliga kvantsystem. Genom att modifiera vågnaturen för fotonpulserna baserat på riktningen de rörde sig vid varje steg, laget skapade ett effektivt magnetfält på vandrare. Forskarna mätte sedan hur långt vandrarna reste från sina ursprungliga platser och observerade att de inte gick så långt som de gjorde utan fältet - ett förtryck som förutspås av teorin.

"Detta arbete är ett viktigt steg mot mer praktiska fotonbaserade kvantslumpmässiga vandringar, " säger Waks. "Att utforska hur dessa system beter sig och hur vi kan kontrollera dem kommer att tillåta oss att utföra mer komplexa kvantsimuleringar."