Trojica istraživača sa Universite libre de Brukelles, Belgija, otkrila su kontraintuitivni aspekt fizike interferencije fotona. U članku objavljenom ovog meseca u časopisu Nature Photonics, oni su predložili misaoni eksperiment koji je u potpunoj suprotnosti sa uobičajenim saznanjima o takozvanim svojstvima gomilanja fotona. Čini se da je posmatranje ovog anomalnog efekta skupljanja na dohvat ruke današnjim fotonskim tehnologijama i, ako se postigne, snažno bi uticalo na naše razumevanje kvantnih interferencija sa više čestica.
Jedan od kamena temeljaca kvantne fizike je princip komplementarnosti Nielsa Bora, koji, grubo govoreći, kaže da se objekti mogu ponašati ili kao čestice ili kao talasi. Ova dva međusobno isključiva opisa su dobro ilustrovana u legendarnom eksperimentu sa dvostrukim prorezom, gde čestice udaraju o ploču koja sadrži dva proreza. Ako se putanja svake čestice ne posmatra, primećujemo talasne interferenčne ivice kada se skupljaju čestice nakon prolaska kroz proreze. Ali ako se posmatraju putanje, onda ivice nestaju i sve se dešava kao da imamo posla sa kuglicama nalik česticama u klasičnom svetu.
Kako je skovao fizičar Ričard Fajnman, ivice interferencije potiču iz odsustva informacija o „kojem putu“, tako da ivice moraju nužno nestati čim nam eksperiment omogući da saznamo da je svaka čestica prošla jednom ili drugom putanjom kroz levi ili desni prorez.
Svetlost ne izbegava ovu dualnost: može se opisati kao elektromagnetni talas ili se može shvatiti kao da se sastoji od čestica bez mase koje putuju brzinom svetlosti, naime fotona. Ovo dolazi sa još jednim izvanrednim fenomenom: sakupljanjem fotona. Labavo definisano, ako ne postoji način da se razlikuju fotoni i da se zna koji put slede u eksperimentu kvantne interferencije, onda imaju tendenciju da se drže zajedno.
Ovo ponašanje se već može posmatrati sa dva fotona koji udaraju svaki na stranu poluprozirnog ogledala, što deli dolaznu svetlost na dve moguće putanje povezane sa reflektovanom i propuštenom svetlošću. Zaista, proslavljeni efekat Hong–Ou–Mandela nam ovde govori da dva odlazeća fotona uvek izlaze zajedno na istoj strani ogledala, što je posledica talasaste interferencije između njihovih putanja.
Ovaj efekat grupisanja ne može se razumeti u klasičnom pogledu na svet gde fotone smatramo klasičnim loptama, od kojih svaka ide dobro definisanom putanjom. Stoga se, logično, očekuje da grupisanje postane manje izraženo čim smo u mogućnosti da razlikujemo fotone i pratimo kojim su putanjama krenuli. To je upravo ono što se eksperimentalno posmatra ako dva upadna fotona na poluprovidnom ogledalu imaju, na primer, jasnu polarizaciju ili različite boje: ponašaju se kao klasične lopte i više se ne skupljaju. Obično se priznaje da ova interakcija između grupisanja fotona i razlikovnosti odražava opšte pravilo: grupisanje mora biti maksimalno za fotone koji se potpuno ne mogu razlikovati i postepeno opadati kada fotoni postaju sve vidljiviji.
Uprkos svim izgledima, ovu uobičajenu pretpostavku je nedavno dokazao pogrešnu tim iz Centra za kvantne informacije i komunikacije na Ecole politechnikue de Brukelles, Universite libre de Brukelles na čelu sa profesorom Nicolasom Cerfom, uz asistenciju njegovog doktora nauka. student, Benoit Seron, i njegov postdoktor, dr Leonardo Novo, sada istraživač osoblja u Međunarodnoj iberijskoj laboratoriji za nanotehnologiju, Portugal.
Oni su razmotrili specifičan teorijski scenario gde sedam fotona udara u veliki interferometar i ispitali slučajeve u kojima se svi fotoni spajaju u dva izlazna puta interferometra. Grupiranje bi logično trebalo da bude najjače kada svih sedam fotona priznaju istu polarizaciju jer ih čini potpuno nerazlučivim, što znači da ne dobijamo informacije o njihovim putanjama u interferometru. Sasvim iznenađujuće, istraživači su otkrili postojanje nekih slučajeva u kojima je grupisanje fotona značajno ojačano – umesto da je oslabljeno – čineći fotone delimično prepoznatljivim putem dobro odabranog polarizacionog obrasca.
Belgijski tim je iskoristio vezu između fizike kvantnih smetnji i matematičke teorije permanenta. Koristeći nedavno opovrgnutu pretpostavku o matričnim permanentima, mogli bi dokazati da je moguće dodatno poboljšati grupisanje fotona finim podešavanjem polarizacije fotona. Osim što je intrigantan za osnovnu fiziku interferencije fotona, ovaj anomalni fenomen grupisanja trebalo bi da ima implikacije na kvantne fotonske tehnologije, koje su pokazale brz napredak poslednjih godina.
Eksperimenti usmereni na izgradnju optičkog kvantnog računara dostigli su nivo kontrole bez presedana, gde se mnogo fotona može kreirati, interferisati preko složenih optičkih kola i brojati detektorima za razlučivanje fotona. Razumevanje suptilnosti fotonskog grupisanja, koje je povezano sa kvantnom bozonskom prirodom fotona, je stoga značajan korak u ovoj perspektivi.
