Cientistas descobriram uma anomalia inesperada de interferência quântica

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