Interferenza quantistica della luce: scoperto un fenomeno anomalo

Tre ricercatori dell’Université Libre de Bruxelles in Belgio hanno scoperto un lato controintuitivo della fisica dell’interferenza dei fotoni. In un articolo pubblicato questo mese in Fotonica della natura, hanno proposto un esperimento mentale che contraddice completamente la conoscenza comune sulla cosiddetta proprietà di raccolta dei fotoni. L’osservazione di questo effetto di raggruppamento anomalo sembra essere alla portata delle attuali tecnologie fotoniche e, se raggiunto, avrebbe un grave impatto sulla nostra comprensione delle interferenze quantistiche multiparticellari.

Uno dei capisaldi della fisica quantistica è il principio di complementarità di Niels Bohr, che afferma, grosso modo, che le cose possono comportarsi sia come particelle che come onde. Queste due descrizioni contrastanti 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 monitorata, si notano frange di interferenza simili a onde quando le particelle vengono raccolte dopo essere passate attraverso le fenditure. Ma se le traiettorie vengono monitorate, gli arti scompaiono e tutto accade come se avessimo a che fare con sfere simili a particelle in un universo classico.

Come l’ha coniato il fisico Richard Feynman, le frange di interferenza derivano dalla mancanza di informazioni su “quale percorso”, quindi le frange devono necessariamente scomparire una volta che l’esperienza ci fa sapere che ogni particella ha preso l’uno o l’altro percorso attraverso la fenditura destra o sinistra.

La luce non sfugge a questa dualità: può essere descritta come un’onda elettromagnetica o può essere intesa come costituita da particelle prive di massa che si muovono alla velocità della luce, cioè fotoni. Questo arriva con un altro fenomeno affascinante: il fenomeno dell’aggregazione 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, tendono a restare uniti.

Questo comportamento può già essere osservato con due fotoni che collidono tra loro sul lato di uno specchio traslucido, che divide la luce in arrivo in due possibili percorsi relativi alla luce riflessa e trasmessa. Infatti, il famoso effetto Hung Ou Mandel qui ci dice che i due fotoni esterni escono sempre insieme dallo stesso lato dello specchio, che è il risultato di un’interferenza ondulatoria tra i loro percorsi.

Questo effetto di raggruppamento non può essere compreso nella visione del mondo classica in cui pensiamo ai fotoni come a delle palle classiche, ognuna delle quali prende un percorso ben definito. Pertanto, logicamente parlando, il raggruppamento dovrebbe diventare meno chiaro una volta che saremo in grado di distinguere i fotoni e tracciare i percorsi che hanno intrapreso. Questo è esattamente ciò che si osserva sperimentalmente se i due fotoni incidenti sullo specchio traslucido, ad esempio, hanno polarizzazioni distinte o colori diversi: si comportano come sfere classiche e non si agglutinano più. Questa interazione tra aggregazione di fotoni e differenziabilità è generalmente riconosciuta per riflettere una regola generale: l’aggregazione dovrebbe essere massima per i fotoni che sono completamente indistinguibili e diminuire gradualmente man mano che i fotoni sono sempre più distinti.

Contro ogni previsione, questa ipotesi comune è stata recentemente smentita da un team del Centro per l’informazione e la comunicazione quantistica del Politecnico di Bruxelles, Universitaire Libre de Brussels, guidato dal professor Nicolas Cerf, che lo ha aiutato a ottenere il suo dottorato di ricerca. Lo studente, Benoit Cerone, e il ricercatore post-dottorato, il dott. Leonardo Novo, stanno ora lavorando come ricercatori presso l’Iberian International Laboratory for Nanotechnology, in Portogallo.

Hanno studiato uno specifico scenario teorico in cui sette fotoni entrano in collisione con un grande interferometro e sondato casi in cui tutti i fotoni convergevano in due percorsi di uscita dell’interferometro. Il raggruppamento dovrebbe logicamente essere più forte quando tutti e sette i fotoni ammettono la stessa polarizzazione perché li rende completamente indistinguibili, il che significa che non otteniamo informazioni sulle loro traiettorie nell’interferometro. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che ci sono alcuni casi in cui l’aggregazione dei fotoni è notevolmente rafforzata, piuttosto che indebolita, rendendo i fotoni parzialmente distinguibili attraverso un modello di polarizzazione ben scelto.

Il team belga ha approfittato di un legame tra la fisica dell’interferenza quantistica e la teoria matematica del tempo. Facendo uso di una congettura recentemente confutata riguardante i permanenti di matrice, possono dimostrare che è possibile migliorare ulteriormente la diffusione dei fotoni regolando la polarizzazione dei fotoni. Oltre ad essere interessante per la fisica fondamentale dell’interferenza dei fotoni, questo fenomeno di raggruppamento anomalo dovrebbe avere implicazioni per le tecnologie fotoniche quantistiche, che hanno mostrato rapidi progressi negli ultimi anni.

Gli esperimenti finalizzati alla costruzione di un computer quantistico ottico hanno raggiunto un livello di controllo senza precedenti, in cui è possibile creare molti fotoni, interferendo attraverso circuiti ottici complessi e conteggiati con rilevatori di numero di fotoni. Pertanto comprendere le sottigliezze dell’aggregazione dei fotoni, che è correlata alla natura bosonica quantistica dei fotoni, è un passo importante in questa prospettiva.