Em uma amostra de fótons indistinguíveis, quão indistinguíveis eles são? Uma equipe internacional de cientistas agora respondeu a essa pergunta fazendo a primeira medição precisa da indistinguibilidade de vários fótons. Usando um tipo inovador de interferômetro óptico baseado em guias de onda interconectados, a equipe mostrou que é possível verificar tanto o desempenho de fontes de fótons únicos quanto a geração de estados de múltiplos fótons em experimentos de óptica quântica - um membro da equipe de conquistas Andrea Crespi descreve como adicionando “um elemento extra à caixa de ferramentas do experimentador de óptica quântica”.
No mundo cotidiano governado pela física clássica, sempre podemos encontrar maneiras de dizer qual objeto macroscópico é qual, mesmo que muitos objetos pareçam superficialmente idênticos. No mundo quântico, porém, as partículas podem ser idênticas em um sentido profundo, explica Crespi, físico da Universidade Politécnica de Milão, Itália. Isso torna realmente impossível distinguir uma partícula da outra e leva a comportamentos semelhantes a ondas, como interferência.
Esses comportamentos incomuns tornam os fótons idênticos um recurso-chave nas tecnologias quânticas ópticas. Na computação quântica, por exemplo, eles formam a base dos qubits, ou bits quânticos, usados para realizar cálculos. Na comunicação quântica, eles são usados para enviar informações por redes quânticas de grande escala.
Provando indistinguibilidade genuína
Para verificar se dois fótons são indistinguíveis, os pesquisadores costumam enviá-los através de um interferômetro no qual dois canais, ou guias de onda, estão tão próximos que cada um dos fótons pode passar por qualquer um deles. Se os dois fótons são perfeitamente indistinguíveis, eles sempre acabam juntos no mesmo guia de ondas. No entanto, esta técnica não pode ser usada para conjuntos maiores de fótons, porque mesmo que fosse repetida para todas as combinações possíveis de dois fótons, ainda não seria suficiente para caracterizar completamente o conjunto multifóton. É por isso que a “indistinguibilidade genuína” – um parâmetro que quantifica o quão próximo um conjunto de fótons está desse estado ideal e idêntico – é tão difícil de medir para múltiplos fótons.
No novo trabalho, pesquisadores de Milão e do Universidade de Roma “La Sapienza” na Itália; O Conselho Italiano de Pesquisa; O Centro de Nanociências e Nanotecnologia em Palaiseau, França; e a empresa de computação quântica fotônica quandela construiu um “teste de indistinguibilidade” para quatro fótons. Seu sistema consistia em uma placa de vidro na qual eles imprimiram oito guias de onda usando uma técnica de gravação a laser. Usando uma fonte de pontos quânticos semicondutores, eles enviaram repetidamente os fótons para os guias de onda e registraram quais deles estavam ocupados com um fóton.
Em seguida, eles usaram um microaquecedor para aquecer um dos guias de onda que continham um fóton. O aumento da temperatura alterou o índice de refração do guia de ondas, induzindo uma mudança na fase óptica do fóton e fazendo com que ele saltasse para outro dos sete guias de ondas graças a efeitos de interferência.
O experimento mostrou que a amplitude das oscilações entre guias de onda poderia ser usada para determinar o parâmetro de indistinguibilidade genuíno, que é um número entre 0 e 1 (com 1 correspondendo a fótons perfeitamente idênticos). Em seu experimento, eles calcularam uma indistinguibilidade de 0.8.
"No caso de n fótons, o conceito de indistinguibilidade genuína quantifica da forma mais autêntica a impossibilidade de distinguir essas partículas e está relacionado com o quão pronunciados são os efeitos da interferência quântica coletiva”, explica Crespi. “Nossa técnica para medir essa quantidade é baseada em um novo tipo de interferômetro projetado para fornecer, em sua saída, efeitos de interferência incomuns que 'destilam' a genuína indistinguibilidade coletiva do conjunto completo de n fótons com relação à indistinguibilidade de subconjuntos parciais”.
Ferramentas para óptica quântica
Embora a técnica possa funcionar com mais de quatro fótons, o número de medições necessárias para observar variações de indistinguibilidade aumenta exponencialmente com o número de fótons. Portanto, não seria prático para 100 fótons ou mais, que é o número provável necessário para um futuro computador óptico. Dito isso, Crespi diz que poderia ser usado em experimentos de óptica quântica em que os cientistas precisam saber se os fótons são indistinguíveis ou não.
A parede de interferência captura fótons individuais
“A indistinguibilidade genuína é um parâmetro crucial que fornece informações sobre a qualidade de uma fonte multifóton e determina como esses n os fótons podem ser usados em estados de informação complexos”, diz ele Mundo da física. “Para desenvolver tecnologias confiáveis que demonstrem vantagens quantitativas para o processamento e transferência de informações quânticas, é fundamental não apenas desenvolver boas fontes, mas também desenvolver métodos para caracterizar e quantificar a qualidade desses recursos.”
Membro da equipe Sarah Thomas, que agora é pós-doutorando em óptica quântica na Imperial College London, Reino Unido, diz que o método pode ser usado para quantificar quão bons são os estados de recursos para experimentos como a amostragem de bósons. “Essa ferramenta de caracterização será útil para entender as limitações atuais na construção de estados multifótons e a implicação que isso tem na interferência quântica e, portanto, potencialmente encontrar caminhos para melhorar esses estados de recursos”, diz ela.
Segundo os pesquisadores, seu dispositivo inovador permite observar diretamente efeitos de interferência peculiares que podem abrir novos caminhos para pesquisas fundamentais sobre interferência quântica de múltiplas partículas, mesmo além da fotônica. “Poderíamos explorar as implicações desses efeitos na metrologia quântica – isto é, para a estimativa aprimorada de quantidades físicas por meio de efeitos quânticos”, revela Thomas.
O presente trabalho é detalhado em Revisão física X.
