Kwantuminterferentie van licht: een abnormaal fenomeen gevonden

Drie onderzoekers van de Université Libre de Bruxelles in België hebben een contra-intuïtieve kant ontdekt van de fysica van fotoninterferentie. In een artikel dat deze maand verscheen in Natuur fotonica, stelden ze een gedachte-experiment voor dat volledig in tegenspraak is met de algemene kennis over de zogenaamde verzameleigenschap van fotonen. Het observeren van dit abnormale groeperingseffect lijkt binnen het bereik van de huidige fotonische technologieën te liggen, en als dit wordt bereikt, zou dit een ernstige invloed hebben op ons begrip van kwantummultideeltjesinterferentie.

Een van de hoekstenen van de kwantumfysica is het complementariteitsprincipe van Niels Bohr, dat ruwweg stelt dat dingen zich kunnen gedragen als deeltjes of als golven. Deze twee tegenstrijdige beschrijvingen worden goed geïllustreerd in het iconische experiment met dubbele spleet, waarin deeltjes een plaat met twee spleten raken. Als het traject van elk deeltje niet wordt gecontroleerd, ziet men golfachtige interferentieranden wanneer deeltjes worden verzameld nadat ze door de spleten zijn gegaan. Maar als de trajecten worden gevolgd, verdwijnen de ledematen en gebeurt alles alsof we te maken hebben met deeltjesachtige bollen in een klassiek universum.

Zoals natuurkundige Richard Feynman het bedacht, komen interferentieranden voort uit het ontbreken van informatie over ‘welk pad’, dus de randen moeten noodzakelijkerwijs verdwijnen zodra de ervaring ons laat weten dat elk deeltje een of ander pad door de rechter of linker spleet heeft genomen.

Licht ontsnapt niet aan deze dualiteit: het kan worden beschreven als een elektromagnetische golf of het kan worden opgevat als bestaande uit massaloze deeltjes die met de snelheid van het licht bewegen, dat wil zeggen fotonen. Dit gaat gepaard met een ander fascinerend fenomeen: het fenomeen van fotonenaggregatie. Losjes gezegd, als er geen manier is om de fotonen uit elkaar te houden en te weten welk pad ze volgen in een kwantuminterferentie-experiment, hebben ze de neiging om aan elkaar te plakken.

Dit gedrag kan al worden waargenomen bij twee fotonen die tegen elkaar botsen aan de zijkant van een doorschijnende spiegel, die het invallende licht splitst in twee mogelijke paden gerelateerd aan gereflecteerd en doorgelaten licht. In feite vertelt het beroemde Hung Ou Mandel-effect hier ons dat de twee externe fotonen altijd samen aan dezelfde kant van de spiegel uitkomen, wat het resultaat is van golfachtige interferentie tussen hun paden.

Dit groeperingseffect kan niet worden begrepen in het klassieke wereldbeeld waarin we fotonen beschouwen als klassieke ballen, die elk een welomschreven pad volgen. Logischerwijs wordt dus verwacht dat clustering minder duidelijk wordt zodra we fotonen kunnen onderscheiden en de paden die ze hebben gevolgd kunnen volgen. Dit is precies wat men experimenteel waarneemt als de twee fotonen die bijvoorbeeld op de doorschijnende spiegel vallen verschillende polarisaties of verschillende kleuren hebben: ze gedragen zich als klassieke bollen en klonteren niet meer samen. Deze interactie tussen aggregatie van fotonen en differentieerbaarheid wordt algemeen erkend als een weerspiegeling van een algemene regel: aggregatie zou maximaal moeten zijn voor fotonen die volledig niet te onderscheiden zijn en geleidelijk afnemen naarmate fotonen steeds meer worden onderscheiden.

Tegen alle verwachtingen in werd onlangs bewezen dat deze algemene veronderstelling onjuist was door een team van het Centrum voor Quantuminformatie en Communicatie aan de Polytechnische Universiteit van Brussel, Universitaire Libre de Brussels onder leiding van professor Nicolas Cerf, die hem hielp zijn doctoraat te behalen. Student, Benoît Cerone, en postdoctoraal onderzoeker, Dr. Leonardo Novo, werken nu als onderzoekers aan het Iberian International Laboratory of Nanotechnology, Portugal.

Ze bestudeerden een specifiek theoretisch scenario waarbij zeven fotonen in botsing komen met een grote interferometer en onderzochten gevallen waarin alle fotonen samenkwamen in twee uitgangspaden van de interferometer. De groepering zou logischerwijs het sterkst moeten zijn wanneer alle zeven fotonen dezelfde polarisatie toelaten, omdat ze daardoor volledig niet van elkaar te onderscheiden zijn, wat betekent dat we geen informatie krijgen over hun banen in de interferometer. Verrassend genoeg ontdekten de onderzoekers dat er enkele gevallen zijn waarin fotonenaggregatie sterk wordt versterkt – in plaats van verzwakt – door de fotonen gedeeltelijk te onderscheiden via een goed gekozen polarisatiepatroon.

Het Belgische team profiteerde van een verband tussen de fysica van kwantuminterferentie en de wiskundige theorie van tijd. Door gebruik te maken van een recent weerlegd vermoeden met betrekking tot matrixpermanenten, kunnen ze aantonen dat het mogelijk is om de fotonenverstrooiing verder te verbeteren door de polarisatie van de fotonen af ​​te stemmen. Behalve dat het interessant is voor de fundamentele fysica van fotoninterferentie, zou dit abnormale groeperingsverschijnsel implicaties moeten hebben voor kwantumfotonische technologieën, die de afgelopen jaren een snelle vooruitgang hebben geboekt.

Experimenten gericht op het bouwen van een optische kwantumcomputer hebben een ongekend controleniveau bereikt, waarbij veel fotonen kunnen worden gecreëerd, interfererend door complexe optische circuits, en geteld met fotongetaldetectoren. Daarom is het begrijpen van de subtiliteiten van foton-aggregatie, die gerelateerd is aan de kwantumbosonische aard van fotonen, een belangrijke stap in dit perspectief.