Una sfida per la comprensione comune: gli scienziati scoprono un'anomalia di interferenza quantistica inaspettata

Jul 31, 2023

A cura della Libera Università di Bruxelles31 agosto 2023

Effetto di raggruppamento anomalo in cui tutti i fotoni si uniscono in due fasci di uscita. Credito: Ursula Cardenas Mamani

In a paper recently published in Nature Photonics<em>Nature Photonics</em> is a prestigious, peer-reviewed scientific journal that is published by the Nature Publishing Group. Launched in January 2007, the journal focuses on the field of photonics, which includes research into the science and technology of light generation, manipulation, and detection. Its content ranges from fundamental research to applied science, covering topics such as lasers, optical devices, photonics materials, and photonics for energy. In addition to research papers, <em>Nature Photonics</em> also publishes reviews, news, and commentary on significant developments in the photonics field. It is a highly respected publication and is widely read by researchers, academics, and professionals in the photonics and related fields." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nature Photonics, scientists from the Center for Quantum Information and Communication – Brussels Polytechnic School of the Free University of Brussels report the discovery of an unexpected counter-example that challenges conventional understanding of photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">raggruppamento di fotoni.

Il principio di complementarità di Niels Bohr, un concetto fondamentale nella fisica quantistica, afferma essenzialmente che gli oggetti possono esibire un comportamento di tipo particellare o ondulatorio. Queste due descrizioni reciprocamente esclusive sono ben illustrate nell'iconico esperimento della doppia fenditura, in cui le particelle colpiscono una piastra contenente due fenditure.

Se non si osserva la traiettoria di ciascuna particella, si osservano frange di interferenza ondulatorie quando si raccolgono le particelle dopo aver attraversato le fenditure. Al contrario, se si osservano le traiettorie, allora le frange scompaiono e tutto avviene come se si trattasse di palline particellari in un mondo classico.

Come coniate dal fisico Richard Feynman, le frange di interferenza hanno origine dall'assenza di informazioni su quale percorso, quindi le frange devono necessariamente svanire non appena l'esperimento ci permette di apprendere che ciascuna particella ha preso l'uno o l'altro percorso attraverso la sinistra o la destra. fessura.

La luce non sfugge a questa dualità: può essere descritta come un'onda elettromagnetica oppure può essere intesa come costituita da particelle prive di massa che viaggiano alla velocità della luce, vale a dire i fotoni. Ciò avviene con un altro fenomeno notevole: quello del raggruppamento di fotoni. In parole povere, se non c’è modo di distinguere i fotoni e sapere quale percorso seguono in un esperimento di interferenza quantistica, allora tendono a restare uniti.

Questo comportamento può già essere osservato con due fotoni che incidono ciascuno su un lato di uno specchio semitrasparente, che divide la luce entrante in due possibili percorsi associati alla luce riflessa e trasmessa. In effetti, il celebre effetto Hong-Ou-Mandel ci dice qui che i due fotoni in uscita escono sempre insieme dallo stesso lato dello specchio, il che è una conseguenza di un'interferenza ondulatoria tra i loro percorsi.

Questo effetto di raggruppamento non può essere compreso in una visione del mondo classica in cui pensiamo ai fotoni come palline classiche, ognuna delle quali segue un percorso ben definito. Pertanto, logicamente, ci si aspetta che il raggruppamento diventi meno pronunciato non appena siamo in grado di distinguere i fotoni e risalire ai percorsi che hanno seguito.