Interferenza quantistica nel tempo

In un articolo pubblicato di recente sulla rivista statunitense Proceedings of the National Academy of Sciences, due ricercatori dell'ULB e dell'Università di Cambridge hanno dimostrato che l'impossibilità di differenziare i fotoni emessi da un amplificatore ottico produce un effetto che può essere ancora più sorprendente

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Fin dalla nascita della fisica quantistica, avvenuta oltre 100 anni fa, sappiamo che tutte le particelle nell’universo si dividono in due categorie: fermioni e bosoni. I protoni che costituiscono i nuclei degli atomi sono fermioni, mentre i bosoni includono le particelle elementari come i fotoni e i bosoni che mediano le forze elettromagnetiche e nucleari
I bosoni, specialmente i fotoni, hanno una tendenza naturale a raggrupparsi. Uno degli esperimenti più notevoli che ha dimostrato questa naturale tendenza dei fotoni è stato effettuato nel 1987, quando tre fisici hanno identificato un effetto che da allora prende il loro nome: l’effetto Hong-Ou-Mandel.
Se due fotoni vengono inviati simultaneamente, ciascuno verso un lato diverso di un divisore di raggio, una sorta di specchio semitrasparente, ci si potrebbe aspettare che ogni fotone venga riflesso o trasmesso.
A volte i fotoni dovrebbero essere rilevati sui lati opposti di questo specchio, il che accadrebbe se entrambi fossero riflessi o se entrambi fossero trasmessi. Tuttavia, l’esperimento ha dimostrato che ciò non accade mai: i due fotoni finiscono sempre sullo stesso lato dello specchio, come se “preferissero” attraversarlo assieme.
In un articolo pubblicato di recente sulla rivista statunitense Proceedings of the National Academy of Sciences, Nicolas Cerf, professore del Center for Quantum Information and Communication (École polytechnique de Bruxelles), e lo studente Michael Jabbour, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Cambridge, descrivono come un modo differente in cui i fotoni manifestano la loro tendenza a stare insieme. Invece di uno specchio semitrasparente, i ricercatori hanno utilizzato un amplificatore ottico, chiamato componente attivo perché produce nuovi fotoni. Cerf e Jabbour hanno dimostrato l’esistenza di un effetto simile all’effetto Hong-Ou-Mandel, ma che in questo caso cattura una nuova forma di interferenza quantistica.
La fisica quantistica ci dice che l’effetto Hong-Ou-Mandel è una conseguenza del fenomeno di interferenza, insieme al fatto che entrambi i fotoni sono assolutamente identici. Ciò significa che è impossibile distinguere la traiettoria in cui entrambi i fotoni sono stati riflessi dallo specchio, e la traiettoria in cui entrambi sono stati trasmessi attraverso lo specchio; è fondamentalmente impossibile distinguere i fotoni. La conseguenza di ciò è che entrambe le traiettorie si annullano a vicenda. Di conseguenza, i due fotoni non vengono mai osservati sui due lati opposti dello specchio. Questa proprietà dei fotoni è abbastanza sfuggente: se fossero palline, identiche in tutto e per tutto, entrambe queste traiettorie potrebbero benissimo essere osservate. Come spesso accade, la fisica quantistica è in contrasto con la nostra intuizione classica.
I due ricercatori dell’ULB e dell’Università di Cambridge hanno dimostrato che l’impossibilità di differenziare i fotoni emessi da un amplificatore ottico produce un effetto che può essere ancora più sorprendente. Fondamentalmente, l’interferenza che si verifica su uno specchio semitrasparente deriva dal fatto che se immaginiamo di commutare i due fotoni su entrambi i lati dello specchio, la configurazione risultante è esattamente identica. Con un amplificatore ottico, invece, l’effetto identificato da Cerf e Jabbour deve essere compreso osservando gli scambi di fotoni non attraverso lo spazio, ma attraverso il tempo.
Quando due fotoni vengono inviati a un amplificatore ottico, possono semplicemente passare inalterati. Tuttavia, un amplificatore ottico può anche produrre (o distruggere) una coppia di fotoni gemelli: quindi un’altra possibilità è che entrambi i fotoni vengano eliminati e ne venga creata una nuova coppia. In linea di principio, dovrebbe essere possibile dire quale scenario si è verificato in base al fatto che i due fotoni in uscita dall’amplificatore ottico siano identici a quelli che sono stati inviati.
Se fosse possibile distinguere le coppie di fotoni, le traiettorie sarebbero diverse e non ci sarebbe alcun effetto quantistico. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che la fondamentale impossibilità di distinguere i fotoni nel tempo (in altre parole, è impossibile sapere se sono stati sostituiti all’interno dell’amplificatore ottico) elimina alla radice la possibilità stessa di osservare una coppia di fotoni in uscita dall’amplificatore.
Ciò significa che i ricercatori hanno effettivamente identificato un fenomeno di interferenza quantistica che si verifica nel tempo. Si spera che un esperimento alla fine confermerà questa affascinante previsione.
Fonte: https://phys.org/news/2020-12-quantum.html