En una muestra de fotones indistinguibles, ¿qué tan indistinguibles son? Un equipo internacional de científicos ha respondido ahora a esta pregunta al realizar la primera medición precisa de la indistinguibilidad de múltiples fotones. Utilizando un tipo innovador de interferómetro óptico basado en guías de ondas interconectadas, el equipo demostró que es posible comprobar tanto el rendimiento de las fuentes de un solo fotón como la generación de estados multifotónicos en experimentos de óptica cuántica: un logro de los miembros del equipo. andrea crespi describe como agregar "un elemento adicional a la caja de herramientas del experimentador de óptica cuántica".
En el mundo cotidiano gobernado por la física clásica, siempre podemos encontrar formas de saber qué objeto macroscópico es cuál, incluso si muchos objetos parecen superficialmente idénticos. En el mundo cuántico, sin embargo, las partículas pueden ser idénticas en un sentido profundo, explica Crespi, físico de la Universidad Politécnica de Milán, Italia. Esto hace que sea realmente imposible distinguir una partícula de otra y conduce a comportamientos ondulatorios como la interferencia.
Estos comportamientos inusuales hacen que los fotones idénticos sean un recurso clave en las tecnologías cuánticas ópticas. En computación cuántica, por ejemplo, forman la base de los qubits, o bits cuánticos, que se utilizan para realizar cálculos. En la comunicación cuántica, se utilizan para enviar información a través de redes cuánticas a gran escala.
Demostrar indistinguibilidad genuina
Para comprobar si dos fotones son indistinguibles, los investigadores suelen enviarlos a través de un interferómetro en el que dos canales, o guías de ondas, están tan cerca que cada uno de los fotones puede pasar a través de cualquiera de ellos. Si los dos fotones son perfectamente indistinguibles, siempre terminan juntos en la misma guía de ondas. Sin embargo, esta técnica no se puede utilizar para conjuntos de fotones más grandes, porque incluso si se repitiera para todas las combinaciones posibles de dos fotones, no sería suficiente para caracterizar completamente el conjunto de fotones múltiples. Esta es la razón por la que la "indistinguibilidad genuina", un parámetro que cuantifica qué tan cerca está un conjunto de fotones de este estado idéntico e ideal, es tan difícil de medir para múltiples fotones.
En el nuevo trabajo, investigadores de Milán y del Universidad de Roma “La Sapienza” en Italia; El Consejo de Investigación Italiano; El Centro de Nanociencias y Nanotecnología en Palaiseau, Francia; y la empresa de computación cuántica fotónica Quandela construyó una "prueba de indistinguibilidad" para cuatro fotones. Su sistema consistía en una losa de vidrio en la que habían impreso ocho guías de ondas utilizando una técnica de escritura con láser. Utilizando una fuente de puntos cuánticos de semiconductores, enviaron repetidamente los fotones a las guías de ondas y luego registraron cuáles estaban ocupados con un fotón.
Luego, usaron un microcalentador para calentar una de las guías de onda que contenía un fotón. El aumento de temperatura alteró el índice de refracción de la guía de onda, induciendo un cambio en la fase óptica del fotón y provocando que saltara a otra de las siete guías de onda gracias a los efectos de interferencia.
El experimento mostró que la amplitud de las oscilaciones entre guías de ondas podría usarse para determinar el parámetro de indistinguibilidad genuina, que es un número entre 0 y 1 (donde 1 corresponde a fotones perfectamente idénticos). En su experimento, calcularon una indistinguibilidad de 0.8.
"En el caso de n fotones, el concepto de indistinguibilidad genuina cuantifica de la manera más auténtica cuán imposible es distinguir estas partículas y está relacionado con cuán pronunciados son los efectos colectivos de interferencia cuántica”, explica Crespi. “Nuestra técnica para medir esta cantidad se basa en un nuevo tipo de interferómetro diseñado para dar, en su salida, efectos de interferencia inusuales que 'destilan' la indistinguibilidad genuina colectiva del conjunto completo de n fotones con respecto a la indistinguibilidad de subconjuntos parciales”.
Herramientas para la óptica cuántica
Si bien la técnica podría funcionar con más de cuatro fotones, la cantidad de mediciones requeridas para observar variaciones de indistinguibilidad aumenta exponencialmente con la cantidad de fotones. Por lo tanto, no sería práctico para 100 fotones o más, que es el número probable requerido para una futura computadora óptica. Dicho esto, Crespi dice que podría usarse en experimentos de óptica cuántica en los que los científicos necesitan saber si los fotones son indistinguibles o no.
El muro de interferencia captura fotones individuales
“La indistinguibilidad genuina es un parámetro crucial que proporciona información sobre la calidad de una fuente de fotones múltiples y determina cómo estos n los fotones podrían ser estados de información complejos”, dice. Mundo de la física. “Para desarrollar tecnologías confiables que demuestren ventajas cuantitativas para el proceso y la transferencia de información cuántica, es fundamental no solo desarrollar buenas fuentes, sino también desarrollar métodos para caracterizar y cuantificar la calidad de estos recursos”.
Miembro del equipo Sarah Thomas, que ahora es un postdoctorado en óptica cuántica en Imperial College London, Reino Unido, dice que el método podría usarse para cuantificar qué tan buenos son los estados de recursos para experimentos como el muestreo de Boson. "Tal herramienta de caracterización será útil para comprender las limitaciones actuales en la construcción de estados multifotónicos y la implicación que esto tiene en la interferencia cuántica y, por lo tanto, potencialmente para encontrar rutas para mejorar estos estados de recursos", dice.
Según los investigadores, su dispositivo innovador les permite observar directamente efectos de interferencia peculiares que pueden abrir nuevos caminos para la investigación fundamental sobre la interferencia cuántica de partículas múltiples, incluso más allá de la fotónica. “Podríamos explorar las implicaciones de estos efectos en la metrología cuántica, es decir, para la estimación mejorada de cantidades físicas por medio de efectos cuánticos”, revela Thomas.
El presente trabajo se detalla en Revisión física X.
