Interferenza quantistica della luce

Gli scienziati espongono una famiglia di circuiti ottici tale che il raggruppamento di fotoni in due modalità può essere sostanzialmente potenziato rendendoli parzialmente distinguibili tramite un modello di polarizzazione appropriato

Il raggruppamento di bosoni è tra le caratteristiche più notevoli della fisica quantistica. Un celebre esempio in ottica è l'effetto Hong-Ou-Mandel, in cui il raggruppamento di due fotoni nasce da un'interferenza quantistica distruttiva tra le traiettorie in cui entrambi attraversano un divisore di fascio o vengono riflessi. Questo effetto affonda le sue radici nell'indistinguibilità di fotoni identici. Quindi, è generalmente ammesso - e verificato sperimentalmente - che il raggruppamento svanisce non appena i fotoni possono essere distinti, ad esempio quando occupano intervalli di tempo distinti o hanno polarizzazioni diverse.

In un articolo pubblicato su Nature Photonics (1), il gruppo di ricerca del Center for Quantum Information and Communication – Ecole polytechnique de Bruxelles dell'Université libre de Bruxelles, ha trovato un inaspettato controesempio alla conoscenza comune sul raggruppamento di fotoni.

Uno dei capisaldi della fisica quantistica è il principio di complementarità di Niels Bohr, in parole povere il fatto che gli oggetti possono comportarsi sia come particelle che come onde. Queste due descrizioni che si escludono a vicenda sono ben illustrate nell'iconico esperimento della doppia fenditura, in cui le particelle colpiscono una piastra contenente due fenditure. Se la traiettoria di ogni particella non viene osservata, si osservano frange di interferenza ondulatoria quando si raccolgono le particelle dopo aver attraversato le fenditure. Al contrario, se si osservano le traiettorie, allora le frange scompaiono e tutto accade come se avessimo a che fare con palline particellari in un mondo classico. Come coniato dal fisico Richard Feynman, le frange di interferenza hanno origine dall'assenza di quale 'percorsoinformazioni', cosicché le frange devono necessariamente svanire non appena l'esperimento ci permette di apprendere che ciascuna particella ha preso l'uno o l'altro percorso attraverso la fenditura sinistra o destra.

La luce non sfugge a questa dualità: può essere descritta come un'onda elettromagnetica oppure può essere intesa come costituita da particelle prive di massa che viaggiano alla velocità della luce, vale a dire i fotoni. Ciò si accompagna a un altro fenomeno straordinario: quello del raggruppamento di fotoni. In parole povere, se non c'è modo di distinguere i fotoni e sapere quale percorso seguono in un esperimento di interferenza quantistica, allora tendono a restare uniti. Questo comportamento può già essere osservato con due fotoni che colpiscono ciascuno su un lato di uno specchio semitrasparente, che divide la luce in arrivo in due possibili percorsi associati alla luce riflessa e trasmessa. In effetti, il celebre effetto Hong-Ou-Mandel ci dice qui che i due fotoni in uscita escono sempre insieme dallo stesso lato dello specchio, il che è una conseguenza di un'interferenza ondulatoria tra i loro percorsi.

Questo effetto di raggruppamento non può essere compreso in una visione del mondo classica in cui pensiamo ai fotoni come a palline classiche, ognuna delle quali prende un percorso ben definito. Quindi, logicamente, ci si aspetta che il raggruppamento diventi meno pronunciato non appena siamo in grado di distinguere i fotoni e risalire a quali percorsi hanno preso. Questo è proprio quello che si osserva sperimentalmente se i due fotoni incidenti sullo specchio semitrasparente hanno, ad esempio, polarizzazione distinta o colori diversi: si comportano come le classiche palline e non si ammucchiano più. Si ammette comunemente che questa interazione tra raggruppamento di fotoni e distinguibilità rifletta una regola generale: il raggruppamento deve essere massimo per fotoni completamente indistinguibili e diminuire gradualmente quando i fotoni vengono resi sempre più distinguibili.

Contro ogni previsione, questa ipotesi comune è stata recentemente smentita da un team del Center for Quantum Information and Communication (Ecole polytechnique de Bruxelles, Université libre de Bruxelles) guidato dal professor Nicolas Cerf (2), assistito dal suo studente di dottorato, Benoît Seron (3), e il suo postdoc, il dottor Leonardo Novo, ora ricercatore presso l'International Iberian Nanotechnology Laboratory, Portogallo. Hanno considerato uno scenario teorico specifico in cui sette fotoni colpiscono un grande interferometro e hanno sondato i casi in cui tutti i fotoni si raggruppano in due percorsi di uscita dell'interferometro. Il raggruppamento dovrebbe logicamente essere il più forte quando tutti e sette i fotoni ammettono la stessa polarizzazione poiché li rende completamente indistinguibili, il che significa che non otteniamo informazioni sui loro percorsi nell'interferometro. Abbastanza sorprendentemente.

Il team belga ha sfruttato una connessione tra la fisica delle interferenze quantistiche e la teoria matematica dei permanenti. Sfruttando una congettura recentemente smentita sui permanenti matrice, potrebbero dimostrare che è possibile migliorare ulteriormente il raggruppamento di fotoni perfezionando la polarizzazione dei fotoni. Oltre ad essere intrigante per la fisica fondamentale dell'interferenza dei fotoni, questo anomalo fenomeno di raggruppamentodovrebbe avere implicazioni per le tecnologie fotoniche quantistiche, che hanno mostrato rapidi progressi negli ultimi anni. Gli esperimenti mirati alla costruzione di un computer quantistico ottico hanno raggiunto un livello di controllo senza precedenti, in cui è possibile creare molti fotoni, interferire tramite complessi circuiti ottici e conteggiarli con rivelatori di risoluzione del numero di fotoni. Comprendere le sottigliezze del raggruppamento di fotoni, che è legato alla natura bosonica quantistica dei fotoni, è quindi un passo significativo in questa prospettiva.

Riferimenti:

(1) Boson bunching is not maximized by indistinguishable particles

(2) Nicolas Cerf

(3) Benoît Seron

Descrizione foto: Effetto di raggruppamento anomalo in cui tutti i fotoni si uniscono in due fasci di uscita. - Credit: Ursula Cardenas Mamani.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Quantum interference of light: an anomalous phenomenon found