Cientistas descobriram uma anomalia inesperada de interferência quântica

Cientistas descobriram uma anomalia inesperada de interferência quântica

Efeito de agrupamento anômalo no qual todos os fótons são agrupados em dois feixes de saída. Crédito: Ursula Cárdenas Mamani

Num artigo recentemente publicado em Fotônica da naturezacientistas do Centro de Informação e Comunicações Quânticas – Politécnico de Bruxelas da Université Libre de Bruxelles relatam a descoberta de um contra-exemplo inesperado que desafia a compreensão tradicional do quantum. Fóton Conjunto.

O princípio de complementaridade de Niels Bohr, um conceito fundamental na física quântica, afirma essencialmente que os objetos podem exibir comportamento semelhante a partículas ou comportamento semelhante a ondas. Estas duas descrições contrastantes são bem ilustradas na famosa experiência da dupla fenda, na qual partículas colidem com uma placa contendo duas fendas.

Se o caminho de cada partícula não for monitorado, uma franja de interferência semelhante a uma onda pode ser observada quando as partículas são coletadas após passarem pelas fendas. Pelo contrário, se as trajetórias forem observadas, as arestas desaparecem e tudo acontece como se estivéssemos lidando com bolas semelhantes a partículas num mundo clássico.

Conforme formulado pelo físico Richard Feynman, as franjas de interferência surgem da ausência Qualquer caminho informação, portanto as arestas devem necessariamente desaparecer assim que a experiência nos permitir saber que cada partícula percorreu um caminho ou outro através da fenda esquerda ou direita.

A luz não escapa a esta dualidade: pode ser descrita como uma onda electromagnética ou pode ser entendida como constituída por partículas sem massa que viajam à velocidade da luz, nomeadamente os fotões. Isto vem acompanhado de outro fenômeno notável: o fenômeno Coleta de fótons. Em geral, se não houver maneira de distinguir os fótons e saber o caminho que eles seguem em um experimento de interferência quântica, eles tendem a ficar juntos.

Na verdade, esse comportamento pode ser observado por dois fótons colidindo um com o outro próximo a um espelho translúcido, dividindo a luz que entra em dois caminhos possíveis associados à luz refletida e transmitida. Na verdade, o famoso efeito Hong-O-Mandel aqui nos diz que os dois fótons que saem sempre saem juntos do mesmo lado do espelho, o que é o resultado de uma interferência semelhante a uma onda entre seus caminhos.

Este efeito de agrupamento não pode ser entendido a partir da visão de mundo clássica, onde pensamos nos fótons como bolas clássicas, cada uma seguindo um caminho bem definido. Assim, seria logicamente esperado que o agrupamento se tornasse menos óbvio uma vez que pudéssemos distinguir os fótons e traçar os caminhos que eles percorreram.

Isto é exactamente o que observamos experimentalmente se, por exemplo, dois fotões incidentes num espelho translúcido têm polarizações distintas ou cores diferentes: comportam-se como bolas clássicas e já não se combinam. É geralmente aceito que esta interação entre agregação de fótons e discriminabilidade reflete uma regra geral: a agregação deve atingir um máximo para fótons que são completamente indistinguíveis, e então diminuir gradualmente à medida que os fótons se tornam cada vez mais indistinguíveis.

Contra todas as probabilidades, esta suposição comum foi recentemente provada errada por uma equipe do Centro de Informação e Comunicação Quântica (Escola Politécnica de Bruxelas da Université Libre de Bruxelles) liderada pelo Professor Nicolas Cerf, com a assistência do Ph.D. aluno, Benoit Ceron, e pesquisador de pós-doutorado, Dr. Leonardo Novo, que agora é pesquisador do Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, Portugal.

Eles consideraram um cenário teórico específico no qual sete fótons colidem com um grande interferômetro e estudaram casos em que todos os fótons convergem em dois caminhos para a saída do interferômetro. É lógico que a soma é mais forte quando todos os sete fotões admitem a mesma polarização, porque isso os torna completamente indistinguíveis, o que significa que não obtemos informações sobre os seus caminhos no interferómetro. Surpreendentemente, os investigadores descobriram que há alguns casos em que a recolha de fotões é significativamente melhorada – em vez de enfraquecida – ao tornar os fotões parcialmente distinguíveis através de um padrão de polarização bem escolhido.

A equipe belga aproveitou a relação entre a física da interferência quântica e a teoria matemática das constantes. Aproveitando a conjectura recentemente refutada sobre o arranjo permanente, eles podem demonstrar que é possível melhorar ainda mais a coleta de fótons ajustando a polarização dos fótons.

Além de ser interessante para a física básica da interferência de fótons, este Fenômeno de agregação anômala Deverá ter implicações para as tecnologias fotónicas quânticas, que têm mostrado um rápido progresso nos últimos anos.

Experimentos com o objetivo de construir um computador quântico óptico alcançaram um nível de controle sem precedentes, onde muitos fótons podem ser criados, interferidos através de circuitos ópticos complexos e contados por detectores de processamento de números de fótons. Compreender os detalhes mais sutis da agregação de fótons, que está relacionada à natureza quântica bosônica dos fótons, é um passo importante nesta perspectiva.

Referência: “A agregação de bósons não é maximizada por partículas indistinguíveis” por Benoit Ceron, Leonardo Novo e Nicholas J. Cerf, 15 de junho de 2023, Fotônica da natureza.
doi: 10.1038/s41566-023-01213-0

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