Gli stati legati ai fotoni aprono la strada alla manipolazione della "luce quantistica"

Gli stati legati ai fotoni aprono la strada alla manipolazione della "luce quantistica"

Timestamp: 25 aprile 2023 11:00

Come i fotoni si legano insieme dopo l'interazione con un punto quantico
Stati fotonici esotici Impressione artistica di fotoni legati insieme dopo l'interazione con un punto quantico. (Per gentile concessione: Università di Basilea)

I ricercatori sono riusciti a osservare i singoli fotoni e una coppia di fotoni legati che interagiscono con un singolo punto quantico in modo diverso. L'impresa potrebbe aprire la strada alla manipolazione di stati fotonici esotici con implicazioni per tecniche di misurazione potenziate quantistiche, calcolo quantistico basato sulla luce e metrologia.

Una delle caratteristiche dei fotoni è che non interagiscono facilmente tra loro. Questa proprietà consente il trasferimento di informazioni quasi privo di distorsioni alla velocità della luce per comunicazioni a lunga distanza in fibre ottiche. In alcuni casi, tuttavia, i ricercatori vogliono che la luce interagisca. Negli interferometri, ad esempio, vogliono generare stati di luce che possano rendere questi strumenti più sensibili. Ciò richiede una certa interazione tra i fotoni.

I fotoni interagenti formano stati legati, quasiparticelle che danno origine a processi fisici tecnologicamente importanti come l'emissione stimolata (lasing). Fino ad ora, tuttavia, tali stati non erano mai stati osservati direttamente.

Induzione di forti interazioni fotoniche

Nel nuovo lavoro, ricercatori guidati da fisici Sahand Mahmoodian della Università di Sydney in Australia e Natascia Tomm dal Università di Basilea in Svizzera ha osservato questi stati guidando impulsi di luce laser molto fioca (cioè contenente un basso numero di fotoni) attraverso un circolatore in un sistema di cavità a punti quantici. La luce viene retrodiffusa e reindirizzata dal circolatore verso un cosiddetto impianto Hanbury Brown-Twiss dotato di rilevatori di singoli fotoni che registrano il momento in cui i singoli fotoni li colpiscono.

Gli impulsi possono essere approssimati come contenenti zero, uno o due fotoni, spiega Mahmoodian, ma la probabilità di avere un fotone è molto più grande di due fotoni. “Quando misuriamo l'intensità del pacchetto di impulsi, quella misurazione è dominata dalla parte di un fotone dell'impulso perché la parte di due fotoni è molto più piccola in grandezza. Superiamo questo problema misurando la cosiddetta funzione di correlazione di secondo ordine della luce, che ci consente di misurare la probabilità che due fotoni arrivino ai rivelatori con una differenza di tempo molto breve».

Due fotoni ritardano meno di un fotone

La tecnica di misurazione, descritta in dettaglio in Fisica della natura, è insensibile ai singoli fotoni, quindi registra solo la parte a due fotoni dell'impulso. Confrontando queste due misurazioni, i ricercatori hanno osservato che lo stato a due fotoni era ritardato meno dello stato a un fotone. Sono stati in grado di vedere la differenza tra un fotone che interagisce con il loro sistema rispetto a due perché il dispositivo che hanno costruito induce interazioni così forti tra i fotoni. Con questa fortissima interazione fotone-fotone, i due fotoni formano lo stato legato a due fotoni.

«Per misurare i singoli fotoni, misuriamo il tempo di arrivo in uno solo dei rivelatori nella nostra configurazione», spiega Tomm. “Per misurare la correlazione tra due fotoni, misuriamo il tempo di arrivo di due fotoni a due diversi rivelatori. Se c'è un solo fotone, solo uno dei due rivelatori 'scatta', e l'altro no, quindi la 'correlazione' tra i due rivelatori è nulla. Ecco perché questa misura è insensibile ai singoli fotoni: utilizziamo due rivelatori. Se c'è un solo fotone, solo un rilevatore fa clic.

"Essere in grado di vedere un fotone e due fotoni che interagiscono in modo diverso con un punto quantico (che si comporta essenzialmente come un singolo atomo artificiale) significa sostanzialmente che stiamo realizzando un'ottica non lineare con solo due fotoni", aggiunge Mahmoodian. "Dimostrando che possiamo identificare e manipolare tali stati legati ai fotoni, abbiamo compiuto un primo passo fondamentale verso lo sfruttamento della luce quantistica per un uso pratico", dice Mondo della fisica.

Secondo i ricercatori, tali stati quantistici di luce possono in linea di principio essere utilizzati per effettuare misurazioni più sensibili con una migliore risoluzione utilizzando meno fotoni – qualcosa che potrebbe essere importante per applicazioni in microscopia biologica, dove la luce ad alta intensità può danneggiare campioni delicati e in cui le caratteristiche osservate sono particolarmente piccole.

"La piattaforma che abbiamo costruito è molto flessibile", aggiunge Mahmoodian. "È un'interfaccia quasi ideale tra luce e materia su scala quantistica e potrebbe essere utilizzata per generare una varietà di diversi tipi di luce quantistica per l'applicazione in aree come la comunicazione quantistica, la metrologia o il calcolo".

Ad esempio, un tale dispositivo potrebbe fornire un elemento costitutivo per la realizzazione di stati speciali di fotoni che possono essere utilizzati per costruire computer quantistici "tolleranti ai guasti" resistenti al rumore, afferma. "Questa è una delle nostre future direzioni di ricerca".

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