Interferencia cuántica de la luz: fenómeno anómalo encontrado

Tres investigadores de la Université libre de Bruxelles, Bélgica, han descubierto un aspecto contrario a la intuición de la física de la interferencia de fotones. En un artículo publicado este mes en fotónica de la naturaleza, propuso un experimento mental que contradice completamente el conocimiento común sobre la llamada propiedad de agrupación de fotones. La observación de este efecto de agrupamiento anómalo parece estar al alcance de las tecnologías fotónicas actuales y, si se logra, tendría un gran impacto en nuestra comprensión de la interferencia cuántica multipartícula.

Una de las piedras angulares de la física cuántica es el principio de complementariedad de Niels Bohr, que establece aproximadamente que los objetos pueden comportarse como partículas y como ondas. Estas dos descripciones mutuamente excluyentes están bien ilustradas en el icónico experimento de doble rendija, en el que las partículas golpean una placa que contiene dos rendijas. Si no se observa la trayectoria de cada partícula, se observan franjas de interferencia similares a ondas cuando las partículas se recogen después de pasar por las rendijas. Pero si miras las trayectorias, las franjas desaparecen y todo sucede como si estuviéramos tratando con esferas como partículas en un mundo clásico.

Tal como lo acuñó el físico Richard Feynman, las franjas de interferencia surgen de la ausencia de información de «camino», por lo que las franjas necesariamente deben desaparecer tan pronto como el experimento nos permita saber que cada partícula ha tomado uno u otro camino a través de la fisura izquierda o derecha.

La luz no escapa a esta dualidad: puede describirse como una onda electromagnética o puede entenderse compuesta por partículas sin masa que viajan a la velocidad de la luz, es decir, los fotones. Esto va acompañado de otro fenómeno extraordinario: el de la agrupación de fotones. En términos generales, si no hay forma de distinguir los fotones y saber qué camino toman en un experimento de interferencia cuántica, entonces tienden a permanecer juntos.

Este comportamiento ya se puede observar con dos fotones, cada uno golpeando un lado de un espejo semitransparente, que divide la luz entrante en dos posibles caminos asociados con la luz reflejada y la transmitida. En efecto, el célebre efecto Hong-Ou-Mandel nos dice aquí que los dos fotones salientes salen siempre juntos por el mismo lado del espejo, lo que es consecuencia de la interferencia de ondas entre sus caminos.

Este efecto de agrupamiento no se puede entender en una cosmovisión clásica en la que pensamos en los fotones como bolas clásicas, cada una siguiendo un camino bien definido. Entonces, lógicamente, se espera que la agrupación se vuelva menos pronunciada tan pronto como podamos distinguir los fotones y rastrear qué caminos tomaron. Esto es precisamente lo que se puede observar experimentalmente si los dos fotones que inciden sobre el espejo semitransparente tienen, por ejemplo, polarización distinta o colores diferentes: se comportan como las clásicas bolas y ya no se amontonan. Se admite comúnmente que esta interacción entre el agrupamiento de fotones y la distinguibilidad refleja una regla general: el agrupamiento debe ser máximo para fotones completamente indistinguibles y disminuir gradualmente a medida que los fotones se hacen más y más distinguibles.

Contra todo pronóstico, esta hipótesis común fue desacreditada recientemente por un equipo del Centro de Información y Comunicación Cuántica de la Ecole polytechnique de Bruxelles, Université libre de Bruxelles, dirigido por el profesor Nicolas Cerf, asistido por su doctorado. estudiante, Benoît Seron, y su postdoctorado, el Dr. Leonardo Novo, ahora investigador en el Laboratorio Internacional Ibérico de Nanotecnología, Portugal.

Consideraron un escenario teórico específico en el que siete fotones golpean un gran interferómetro y buscaron casos en los que todos los fotones se agrupan en dos rutas de salida del interferómetro. Lógicamente, el agrupamiento debería ser más fuerte cuando los siete fotones admiten la misma polarización, ya que los hace completamente indistinguibles, lo que significa que no obtenemos información sobre sus caminos en el interferómetro. Sorprendentemente, los investigadores encontraron que hay algunos casos en los que el agrupamiento de fotones se fortalece sustancialmente, en lugar de debilitarse, lo que hace que los fotones se distingan parcialmente a través de un patrón de polarización bien elegido.

El equipo belga explotó una conexión entre la física de la interferencia cuántica y la teoría matemática de los permanentes. Usando una conjetura recientemente desacreditada sobre los permanentes de matriz, podrían mostrar que la agrupación de fotones se puede mejorar aún más refinando la polarización de fotones. Además de ser intrigante para la física fundamental de la interferencia de fotones, este fenómeno de agrupamiento anómalo debería tener implicaciones para las tecnologías fotónicas cuánticas, que han mostrado un rápido progreso en los últimos años.

Los experimentos destinados a construir una computadora cuántica óptica han alcanzado un nivel de control sin precedentes, donde es posible crear muchos fotones, interferir con circuitos ópticos complejos y contarlos con detectores de resolución de número de fotones. Comprender las sutilezas del agrupamiento de fotones, que está relacionado con la naturaleza bosónica cuántica de los fotones, es, por lo tanto, un paso importante en esta perspectiva.