Uma faceta contra-intuitiva da física da interferência de fótons foi descoberta por três pesquisadores da Université libre de Bruxelles, na Bélgica. Em um artigo publicado este mês na Nature Photonics, eles propuseram um experimento mental que contradiz totalmente o conhecimento comum sobre a chamada propriedade de agrupamento dos fótons. A observação desse efeito de agrupamento anômalo parece estar ao alcance das tecnologias fotônicas atuais e, se conseguida, teria um forte impacto em nossa compreensão das interferências quânticas de multipartículas.
Um dos pilares da física quântica é o princípio da complementaridade de Niels Bohr, que, grosso modo, afirma que os objetos podem se comportar como partículas ou como ondas. Essas duas descrições mutuamente exclusivas são bem ilustradas no icônico experimento da fenda dupla, em que as partículas colidem com uma placa contendo duas fendas. Se a trajetória de cada partícula não for observada, observam-se franjas de interferência ondulatórias ao coletar as partículas após passarem pelas fendas. Mas se as trajetórias são observadas, então as franjas desaparecem e tudo acontece como se estivéssemos lidando com bolas semelhantes a partículas em um mundo clássico.
Conforme cunhado pelo físico Richard Feynman, as franjas de interferência se originam da ausência de informações de “qual caminho”, de modo que as franjas devem necessariamente desaparecer assim que o experimento nos permitir aprender que cada partícula tomou um ou outro caminho através do fenda esquerda ou direita.
A luz não escapa a esta dualidade: pode ser descrita como uma onda electromagnética ou pode ser entendida como constituída por partículas sem massa que viajam à velocidade da luz, nomeadamente os fotões. Isso vem com outro fenômeno notável: o agrupamento de fótons. Vagamente definido, se não houver como distinguir os fótons e saber qual caminho eles seguem em um experimento de interferência quântica, eles tendem a ficar juntos.
Esse comportamento já pode ser observado com dois fótons incidindo cada um em um lado de um espelho semitransparente, que divide a luz incidente em dois caminhos possíveis associados à luz refletida e transmitida. De fato, o célebre efeito Hong-Ou-Mandel nos diz aqui que os dois fótons que saem sempre saem juntos do mesmo lado do espelho, o que é consequência de uma interferência ondulatória entre seus caminhos.
Esse efeito de agrupamento não pode ser entendido em uma visão de mundo clássica em que pensamos nos fótons como bolas clássicas, cada uma seguindo um caminho bem definido. Assim, logicamente, espera-se que o agrupamento se torne menos pronunciado assim que formos capazes de distinguir os fótons e rastrear quais caminhos eles seguiram. É exatamente isso que se observa experimentalmente se os dois fótons incidentes no espelho semitransparente tiverem, por exemplo, polarização distinta ou cores diferentes: eles se comportam como bolas clássicas e não se agrupam mais. Essa interação entre agrupamento de fótons e distinguibilidade é comumente admitida como refletindo uma regra geral: o agrupamento deve ser máximo para fótons totalmente indistinguíveis e diminuir gradualmente quando os fótons se tornam cada vez mais distinguíveis.
Contra todas as probabilidades, essa suposição comum foi recentemente provada errada por uma equipe do Centro de Informação e Comunicação Quântica da Ecole polytechnique de Bruxelles, Université libre de Bruxelles, liderada pelo professor Nicolas Cerf, auxiliado por seu Ph.D. aluno, Benoît Seron, e seu pós-doutorado, Dr. Leonardo Novo, agora um pesquisador da equipe do Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, Portugal.
Eles consideraram um cenário teórico específico em que sete fótons colidem com um grande interferômetro e investigaram os casos em que todos os fótons se agrupam em dois caminhos de saída do interferômetro. O agrupamento deve ser logicamente o mais forte quando todos os sete fótons admitem a mesma polarização, pois os torna totalmente indistinguíveis, o que significa que não obtemos informações sobre seus caminhos no interferômetro. Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram a existência de alguns casos em que o agrupamento de fótons é substancialmente fortalecido – em vez de enfraquecido – tornando os fótons parcialmente distinguíveis por meio de um padrão de polarização bem escolhido.
A equipe belga aproveitou uma conexão entre a física das interferências quânticas e a teoria matemática das permanentes. Ao alavancar uma conjectura recentemente refutada sobre matrizes permanentes, eles poderiam provar que é possível aumentar ainda mais o agrupamento de fótons ajustando a polarização dos fótons. Além de ser intrigante para a física fundamental da interferência de fótons, esse fenômeno de agrupamento anômalo deve ter implicações para as tecnologias fotônicas quânticas, que mostraram rápido progresso nos últimos anos.
Os experimentos destinados a construir um computador quântico óptico atingiram um nível de controle sem precedentes, onde muitos fótons podem ser criados, interferidos por meio de circuitos ópticos complexos e contados com detectores de resolução de número de fótons. Compreender as sutilezas do agrupamento de fótons, que está ligado à natureza bosônica quântica dos fótons, é, portanto, um passo significativo nessa perspectiva.
Publicado em 18/06/2023 14h18
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