Pored toga što je ovo otkriće intrigantno za osnovnu fiziku interferencije fotona, ovaj anomalni fenomen grupisanja trebalo bi da ima implikacije na kvantne fotonske tehnologije
U članku koji je nedavno objavljen u Nature Photonics, naučnici iz Centra za kvantne informacije i komunikacije – Politehničke škole u Briselu Slobodnog univerziteta u Briselu izvještavaju o otkriću neočekivanog kontraprimjera koji dovodi u pitanje konvencionalno razumijevanje grupisanja fotona.
Princip komplementarnosti Nielsa Bora, fundamentalni koncept u kvantnoj fizici, u suštini kaže da objekti mogu pokazati ponašanje poput čestica ili talasa. Ova dva međusobno isključiva opisa su dobro ilustrovana u legendarnom eksperimentu sa dvostrukim prorezom, gdje čestice udaraju o ploču koja sadrži dva proreza.
Ako se putanja svake čestice ne prati, uočavaju se talasaste interferentne ivice kada se čestice sakupljaju nakon prolaska kroz proreze. Naprotiv, ako se posmatraju putanje, onda ivice nestaju i sve se dešava kao da imamo posla sa sferama nalik česticama u klasičnom svijetu.
Kako je skovao fizičar Ričard Fajnman, ivice interferencije potiču iz odsustva informacija o putanji, tako da ivice moraju nužno da nestanu čim nam eksperiment omogući da saznamo da je svaka čestica krenula jednom ili drugom putanjom lijevo ili desno od proreza.
Svjetlost ne izbjegava ovu dualnost: može se opisati kao elektromagnetni talas, ili se može shvatiti da se sastoji od čestica bez mase koje putuju brzinom svjetlosti, ili fotona. Ovo dolazi sa još jednim izvanrednim fenomenom: sakupljanjem fotona. Lako rečeno, ako ne postoji način da se fotoni razdvoje i da se zna kojim putem idu u eksperimentu kvantne interferencije, onda im je teže da se drže zajedno.
Hong-Ou-Mandelov efekat
Ovo ponašanje se već može posmatrati sa dva fotona koji udaraju sa svake strane poluprozirnog ogledala, što dijeli dolaznu svjetlost na dva moguća putanja povezana sa reflektovanom i propuštenom svjetlošću. Zaista, proslavljeni Hong-Ou-Mandelov efekat nam ovdje govori da dva odlazeća fotona uvijek izlaze zajedno na istoj strani ogledala, što je posljedica interferencije talasa između njihovih putanja.
Ovaj efekat skupljanja ne može se razumijeti u klasičnom pogledu na svijet gdje fotone smatramo klasičnim loptama, od kojih svaka slijedi dobro definisan put. Stoga se logično očekuje da će grupisanje postati manje izraženo čim budemo u stanju da razlikujemo fotone i pratimo puteve kojima su krenuli.
To je upravo ono što se eksperimentalno posmatra ako dva upadna fotona na poluprovidno ogledalo imaju, na primer, jasnu polarizaciju ili različite boje: ponašaju se kao klasične lopte i više se ne kolabiraju. Opšte je prihvaćeno da ova interakcija između grupisanja fotona i posebnosti odražava opšte pravilo: grupisanje mora biti maksimalno za fotone koji se potpuno ne razlikuju i postepeno se smanjuju kako fotoni postaju sve jasniji.
Teorijski scenario sedam fotona
Uprkos svemu, ovu uobičajenu pretpostavku je nedavno dokazao kao pogrešnu tim iz Centra za kvantne informacije i komunikacije (Briselska politehnička škola Slobodnog univerziteta u Briselu) na čelu sa profesorom Nikolasom Serfom.
Razmatrali su specifičan teorijski scenario u kojem sedam fotona pogađa veliki interferometar i ispitivali slučajeve u kojima su svi fotoni sakupljeni na dva izlazna puta interferometra. Grupisanje bi logično trebalo da bude najjače kada svih sedam fotona priznaju istu polarizaciju jer ih to čini potpuno neraspoznatljivima, što znači da ne dobijamo informacije o njihovim putanjama u interferometru.
Sasvim iznenađujuće, istraživači su otkrili postojanje nekih slučajeva u kojima je grupisanje fotona značajno ojačano – a ne oslabljeno – čineći fotone delimično prepoznatljivim kroz dobro odabran obrazac polarizacije.
Belgijski tim je iskoristio vezu između fizike kvantne interferencije i matematičke teorije permanenta. Koristeći novopobijenu pretpostavku o matričnim permanentima, mogli su dokazati da je moguće dodatno poboljšati grupisanje fotona finim podešavanjem polarizacije fotona.
Pored toga što je intrigantan za osnovnu fiziku interferencije fotona, ovaj anomalni fenomen grupisanja trebalo bi da ima implikacije na kvantne fotonske tehnologije, koje su pokazale brz napredak posljednjih godina.
Eksperimenti usmjereni na izgradnju optičkog kvantnog računara dostigli su nivo kontrole bez presedana, gdje se može stvoriti mnogo fotona, ometati kroz složena optička kola i brojati pomoću detektora koji rješavaju broj fotona. Razumijevanje suptilnosti fotonskog grupisanja, koje je povezano sa kvantnom bozonskom prirodom fotona, je stoga značajan korak u ovoj perspektivi.
(IT mixer)
