Shkencëtarët zbulojnë anomali të papritura të ndërhyrjeve kuantike

Në një punim të botuar së fundmi në Nature Photonics , shkencëtarët nga Qendra për Informacion dhe Komunikim Kuantik – Shkolla Politeknike e Brukselit e Universitetit të Lirë të Brukselit raportojnë zbulimin e një kundërshembulli të papritur që sfidon kuptimin konvencional të grumbullimit të fotoneve .

Parimi i komplementaritetit i Niels Bohr-it, një koncept themelor në fizikën kuantike, në thelb thotë se objektet mund të shfaqin sjellje ose grimca ose valë. Këto dy përshkrime reciprokisht ekskluzive janë ilustruar mirë në eksperimentin ikonik me dy çarje, ku grimcat po përplasen në një pjatë që përmban dy çarje.

Nëse trajektorja e secilës grimcë nuk vëzhgohet, vërehen skajet e interferencave të ngjashme me valën kur mblidhen grimcat pas kalimit nëpër çarje. Përkundrazi, nëse shihen trajektoret, atëherë skajet zhduken dhe gjithçka ndodh sikur të kishim të bënim me topa të ngjashëm me grimcat në një botë klasike.

Siç është shpikur nga fizikani Richard Feynman, skajet e ndërhyrjes e kanë origjinën nga mungesa e informacionit të rrugës , kështu që skajet duhet domosdoshmërisht të zhduken sapo eksperimenti të na lejojë të mësojmë se secila grimcë ka marrë njërën ose tjetrën rrugë përmes majtas ose djathtas. çarje.

Drita nuk i shpëton këtij dualiteti: ajo ose mund të përshkruhet si një valë elektromagnetike ose mund të kuptohet si e përbërë nga grimca pa masë që udhëtojnë me shpejtësinë e dritës, përkatësisht fotone. Kjo vjen me një tjetër fenomen të jashtëzakonshëm: atë të grumbullimit të fotoneve . Thënë lirshëm, nëse nuk ka asnjë mënyrë për të dalluar fotonet dhe për të ditur se cilën rrugë ndjekin në një eksperiment me ndërhyrje kuantike, atëherë ato priren të qëndrojnë së bashku.

Kjo sjellje tashmë mund të vërehet me dy fotone që përplasen secili në një anë të një pasqyre gjysmë transparente, e cila ndan dritën hyrëse në dy shtigje të mundshme që lidhen me dritën e reflektuar dhe të transmetuar. Në të vërtetë, efekti i famshëm Hong–Ou–Mandel na tregon këtu se dy fotonet dalëse dalin gjithmonë së bashku në të njëjtën anë të pasqyrës, gjë që është pasojë e një ndërhyrjeje të ngjashme me valën midis shtigjeve të tyre.

Ky efekt grumbullimi nuk mund të kuptohet në një botëkuptim klasik, ku ne i mendojmë fotonet si topa klasikë, secili prej tyre merr një rrugë të përcaktuar mirë. Kështu, logjikisht, pritet që grumbullimi të bëhet më pak i theksuar sapo të jemi në gjendje të dallojmë fotonet dhe të gjurmojmë se cilat shtigje kanë marrë.

Kjo është pikërisht ajo që vërehet eksperimentalisht nëse dy fotonet e incidentit në pasqyrën gjysmë transparente kanë, për shembull, polarizim të dallueshëm ose ngjyra të ndryshme: ata sillen si topa klasikë dhe nuk grumbullohen më. Ky ndërveprim midis grumbullimit të fotoneve dhe dallueshmërisë zakonisht pranohet se pasqyron një rregull të përgjithshëm: grumbullimi duhet të jetë maksimal për fotonet plotësisht të padallueshme dhe gradualisht të bjerë kur fotonet bëhen gjithnjë e më të dallueshme.

Kundër të gjitha gjasave, ky supozim i zakonshëm kohët e fundit është vërtetuar i gabuar nga një ekip nga Qendra për Informacion dhe Komunikim Kuantik (Shkolla Politeknike e Brukselit e Universitetit të Lirë të Brukselit) e udhëhequr nga Profesor Nicolas Cerf, i ndihmuar nga doktoratura e tij. studenti, Benoît Seron, dhe doktori i tij, Dr. Leonardo Novo, tani një studiues i stafit në Laboratorin Ndërkombëtar të Nanoteknologjisë Iberike, Portugali.

Ata kanë shqyrtuar një skenar teorik specifik ku shtatë fotone përplasen në një interferometër të madh dhe hetuan rastet kur të gjithë fotonet grumbullohen në dy shtigje dalëse të interferometrit. Grumbullimi duhet të jetë logjikisht më i forti kur të shtatë fotonet pranojnë të njëjtin polarizim pasi i bën ata plotësisht të padallueshëm, që do të thotë se nuk marrim asnjë informacion mbi shtigjet e tyre në interferometër. Krejt çuditërisht, studiuesit kanë zbuluar ekzistencën e disa rasteve ku grumbullimi i fotoneve forcohet ndjeshëm – në vend që të dobësohet – duke i bërë fotonet pjesërisht të dallueshme nëpërmjet një modeli polarizimi të zgjedhur mirë.

Ekipi belg përfitoi nga një lidhje midis fizikës së ndërhyrjeve kuantike dhe teorisë matematikore të të përhershmeve. Duke shfrytëzuar një hamendje të re të hedhur poshtë mbi të përhershmet e matricës, ata mund të provojnë se është e mundur të përmirësohet më tej grumbullimi i fotoneve duke rregulluar mirë polarizimin e fotoneve.

Përveç të qenit intrigues për fizikën themelore të ndërhyrjes së fotoneve, ky fenomen anomal grumbullimi duhet të ketë implikime për teknologjitë fotonike kuantike, të cilat kanë treguar përparim të shpejtë gjatë viteve të fundit.

Eksperimentet që synojnë ndërtimin e një kompjuteri kuantik optik kanë arritur një nivel kontrolli të paprecedentë, ku mund të krijohen shumë fotone, të ndërhyjnë përmes qarqeve optike komplekse dhe të numërohen me detektorë që zgjidhin numrin e fotoneve. Të kuptuarit e hollësive të grumbullimit të fotoneve, e cila është e lidhur me natyrën bosonike kuantike të fotoneve, është një hap i rëndësishëm në këtë këndvështrim.