In un campione di fotoni indistinguibili, quanto sono indistinguibili? Un team internazionale di scienziati ha ora risposto a questa domanda effettuando la prima misurazione precisa dell'indistinguibilità multi-fotone. Utilizzando un tipo innovativo di interferometro ottico basato su guide d'onda interconnesse, il team ha dimostrato che è possibile verificare sia le prestazioni delle sorgenti a singolo fotone sia la generazione di stati multi-fotone negli esperimenti di ottica quantistica. Andrea Crespi descrive come l'aggiunta di "un elemento in più alla cassetta degli attrezzi dello sperimentatore di ottica quantistica".
Nel mondo quotidiano governato dalla fisica classica, possiamo sempre trovare modi per dire quale oggetto macroscopico è quale, anche se molti oggetti sembrano superficialmente identici. Nel mondo quantistico, invece, le particelle possono essere identiche in senso profondo, spiega Crespi, fisico del Politecnico di Milano, Italia. Ciò rende veramente impossibile distinguere una particella dall'altra e porta a comportamenti ondulatori come l'interferenza.
Questi comportamenti insoliti rendono i fotoni identici una risorsa chiave nelle tecnologie quantistiche ottiche. Nel calcolo quantistico, ad esempio, costituiscono la base dei qubit, o bit quantistici, utilizzati per eseguire i calcoli. Nella comunicazione quantistica, vengono utilizzati per inviare informazioni su reti quantistiche su larga scala.
Dimostrando genuina indistinguibilità
Per verificare se due fotoni sono indistinguibili, i ricercatori di solito li inviano attraverso un interferometro in cui due canali, o guide d'onda, sono così vicini che ciascuno dei fotoni può passare attraverso uno di essi. Se i due fotoni sono perfettamente indistinguibili, finiscono sempre insieme nella stessa guida d'onda. Tuttavia, questa tecnica non può essere utilizzata per insiemi di fotoni più grandi, perché anche se fosse ripetuta per tutte le possibili combinazioni di due fotoni, non sarebbe comunque sufficiente per caratterizzare completamente l'insieme multi-fotone. Questo è il motivo per cui la "genuina indistinguibilità" - un parametro che quantifica quanto è vicino un insieme di fotoni a questo stato ideale e identico - è così difficile da misurare per più fotoni.
Nel nuovo lavoro, i ricercatori di Milano e del Università di Roma “La Sapienza” in Italia; il Consiglio Italiano delle Ricerche; il Centro per le nanoscienze e la nanotecnologia a Palaiseau, Francia; e la società di calcolo quantistico fotonico Quandela costruito un "test di indistinguibilità" per quattro fotoni. Il loro sistema consisteva in una lastra di vetro in cui avevano impresso otto guide d'onda utilizzando una tecnica di scrittura laser. Utilizzando una sorgente di punti quantici a semiconduttore, hanno inviato ripetutamente i fotoni nelle guide d'onda, quindi hanno registrato quali erano occupate da un fotone.
Successivamente, hanno utilizzato un microriscaldatore per riscaldare una delle guide d'onda che conteneva un fotone. L'aumento della temperatura ha alterato l'indice di rifrazione della guida d'onda, inducendo un cambiamento nella fase ottica del fotone e facendolo saltare su un'altra delle sette guide d'onda grazie agli effetti di interferenza.
L'esperimento ha dimostrato che l'ampiezza delle oscillazioni tra le guide d'onda potrebbe essere utilizzata per determinare il vero parametro di indistinguibilità, che è un numero compreso tra 0 e 1 (con 1 corrispondente a fotoni perfettamente identici). Nel loro esperimento, hanno calcolato un'indistinguibilità di 0.8.
"In caso di n fotoni, il concetto di genuina indistinguibilità quantifica nel modo più autentico quanto sia impossibile distinguere queste particelle ed è correlato a quanto siano pronunciati gli effetti di interferenza quantistica collettiva», spiega Crespi. “La nostra tecnica per misurare questa quantità si basa su un nuovo tipo di interferometro progettato per dare, alla sua uscita, effetti di interferenza insoliti che 'distillano' la genuina indistinguibilità collettiva dell'insieme completo di n fotoni rispetto all'indistinguibilità di sottoinsiemi parziali.
Strumenti per l'ottica quantistica
Sebbene la tecnica possa funzionare con più di quattro fotoni, il numero di misurazioni necessarie per osservare le variazioni per l'indistinguibilità aumenta in modo esponenziale con il numero di fotoni. Non sarebbe quindi pratico per 100 fotoni o più, che è il probabile numero richiesto per un futuro computer ottico. Detto questo, Crespi afferma che potrebbe essere utilizzato in esperimenti di ottica quantistica in cui gli scienziati devono sapere se i fotoni sono indistinguibili o meno.
Il muro di interferenza cattura singoli fotoni
“L'autentica indistinguibilità è un parametro cruciale che fornisce informazioni sulla qualità di una sorgente multi-fotone e determina come queste n i fotoni potrebbero essere usati stati informativi complessi", dice Mondo della fisica. "Per sviluppare tecnologie affidabili che dimostrino vantaggi quantitativi per il processo e il trasferimento di informazioni quantistiche, è fondamentale non solo sviluppare buone fonti, ma anche sviluppare metodi per caratterizzare e quantificare la qualità di queste risorse".
Membro della squadra sara thomas, che ora è un postdoc in ottica quantistica presso Imperial College London, UK, afferma che il metodo potrebbe essere utilizzato per quantificare quanto sono buoni gli stati delle risorse per esperimenti come il campionamento dei bosoni. "Un tale strumento di caratterizzazione sarà utile per comprendere le attuali limitazioni nella costruzione di stati multi-fotone e le implicazioni che ciò ha sull'interferenza quantistica, e quindi potenzialmente trovare percorsi per migliorare questi stati di risorse", afferma.
Secondo i ricercatori, il loro dispositivo innovativo consente loro di osservare direttamente particolari effetti di interferenza che potrebbero aprire nuove strade alla ricerca fondamentale sull'interferenza quantistica multiparticellare, anche oltre la fotonica. "Potremmo esplorare le implicazioni di questi effetti nella metrologia quantistica, ovvero per la stima avanzata delle quantità fisiche mediante effetti abilitati ai quanti", rivela Thomas.
Il presente lavoro è dettagliato in Revisione fisica X.
