Crédito: ULB
Desde los inicios de la física cuántica, hace cien años, se sabe que todas las partículas del universo se dividen en dos categorías: fermiones y bosones. Por ejemplo, los protones que se encuentran en los núcleos atómicos son fermiones, mientras que los bosones incluyen fotones, que son partículas de luz, así como el bosón BroutEnglert-Higgs, por el que François Englert, profesor de la ULB, recibió el Premio Nobel de Física en 2013.
Los bosones, especialmente los fotones, tienen una tendencia natural a agruparse. Uno de los experimentos más notables que demostró la tendencia de los fotones a fusionarse se llevó a cabo en 1987, cuando tres físicos identificaron un efecto que desde entonces lleva su nombre: el efecto Hong-Ou-Mandel. Si se envían dos fotones simultáneamente, cada uno hacia un lado diferente de un divisor de haz, una especie de espejo semitransparente, se podría esperar que cada fotón se refleje o transmita.
Lógicamente, los fotones a veces deberían detectarse en lados opuestos de este espejo, lo que sucedería si ambos se reflejan o si ambos se transmiten. Sin embargo, el experimento ha demostrado que esto nunca sucede en realidad: los dos fotones siempre terminan en el mismo lado del espejo, ¡como si ‘prefirieran’ estar juntos! En un artículo publicado recientemente en la revista estadounidense procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, Nicolas Cerf, profesor del Centro de Información y Comunicación Cuántica (École polytechnique de Bruxelles), y su ex estudiante de doctorado Michael Jabbour, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Cambridge, describen cómo identificaron otra forma en la que los fotones manifiestan su tendencia a permanecer juntos. En lugar de un espejo semitransparente, los investigadores utilizaron un amplificador óptico, llamado componente activo porque produce nuevos fotones. Pudieron demostrar la existencia de un efecto similar al efecto Hong-Ou-Mandel, pero que en este caso captura una nueva forma de interferencia cuántica.
La física cuántica nos dice que el efecto Hong-Ou-Mandel es una consecuencia del fenómeno de interferencia, junto con el hecho de que ambos fotones son absolutamente idénticos. Esto significa que es imposible distinguir la trayectoria en la que ambos fotones se reflejaron en el espejo por un lado, y la trayectoria en la que ambos se transmitieron a través del espejo por otro lado; es fundamentalmente imposible diferenciar los fotones. La notable consecuencia de esto es que ambas trayectorias se anulan entre sí. Como resultado, los dos fotones nunca se observan en los dos lados opuestos del espejo. Esta propiedad de los fotones es bastante esquiva: si fueran bolas diminutas, idénticas en todos los sentidos, ambas trayectorias podrían muy bien ser observadas. Como suele ser el caso, la física cuántica está reñida con nuestra intuición clásica.
Los dos investigadores de ULB y de la Universidad de Cambridge han demostrado que la imposibilidad de diferenciar los fotones emitidos por un amplificador óptico produce un efecto que puede resultar aún más sorprendente. Fundamentalmente, la interferencia que se produce en un espejo semitransparente se debe al hecho de que si imaginamos intercambiando los dos fotones a ambos lados del espejo, la configuración resultante es exactamente idéntica. Con un amplificador óptico, por otro lado, el efecto identificado por Cerf y Jabbour debe entenderse observando los intercambios de fotones no a través del espacio, sino a través del tiempo.
Cuando se envían dos fotones a un amplificador óptico, simplemente pueden pasar sin verse afectados. Sin embargo, un amplificador óptico también puede producir (o destruir) un par de fotones gemelos: por lo que otra posibilidad es que se eliminen ambos fotones y se cree un nuevo par. En principio, debería ser posible saber qué escenario ha ocurrido en función de si los dos fotones que salen del amplificador óptico son idénticos a los que se enviaron. Si fuera posible distinguir los pares de fotones, entonces las trayectorias serían diferentes y no habría efecto cuántico. Sin embargo, los investigadores han descubierto que la imposibilidad fundamental de diferenciar los fotones en el tiempo (en otras palabras, es imposible saber si han sido reemplazados dentro del amplificador óptico) elimina por completo la posibilidad en sí misma de observar un par de fotones saliendo del amplificador. . Esto significa que los investigadores han identificado un fenómeno de interferencia cuántica que ocurre a lo largo del tiempo. ¡Con suerte, un experimento eventualmente confirmará esta fascinante predicción!
Referencia: «Interferencia cuántica de dos bosones en el tiempo» por Nicolas J. Cerf y Michael G. Jabbour, 11 de diciembre de 2020, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073 / pnas.2010827117