Kvanteinterferens i tid

Siden begyndelsen af ​​kvantefysikken, for hundrede år siden, det har været kendt, at alle partikler i universet falder i to kategorier:fermioner og bosoner. For eksempel, protonerne i atomkerner er fermioner, mens bosoner inkluderer fotoner - som er partikler af lys - såvel som BroutEnglert-Higgs bosonen, for hvilket François Englert, professor ved ULB, blev tildelt en Nobelpris i fysik i 2013.

Bosoner – især fotoner – har en naturlig tendens til at klumpe sig sammen. Et af de mest bemærkelsesværdige eksperimenter, der viste fotonernes tendens til at smelte sammen, blev udført i 1987, da tre fysikere identificerede en effekt, der siden blev opkaldt efter dem:Hong-Ou-Mandel-effekten. Hvis to fotoner sendes samtidigt, hver mod en anden side af en stråledeler - en slags semitransparent spejl -, man kunne forvente, at hver foton enten vil blive reflekteret eller transmitteret.

Logisk set, fotoner bør nogle gange detekteres på modsatte sider af dette spejl, hvilket ville ske, hvis begge reflekteres, eller hvis begge transmitteres. Imidlertid, eksperimentet har vist, at dette aldrig sker:de to fotoner ender altid på samme side af spejlet, som om de 'foretrak' at holde sammen. I en artikel publiceret for nylig i et amerikansk tidsskrift Proceedings of the National Academy of Sciences , Nicolas Cerf—en professor ved Center for Quantum Information and Communication (École polytechnique de Bruxelles)—og hans tidligere ph.d. studerende Michael Jabbour - nu postdoc-forsker ved University of Cambridge - beskriver, hvordan de identificerede en anden måde, hvorpå fotoner manifesterer deres tendens til at blive sammen. I stedet for et halvgennemsigtigt spejl, forskerne brugte en optisk forstærker, kaldet en aktiv komponent, fordi den producerer nye fotoner. De var i stand til at påvise eksistensen af ​​en effekt svarende til Hong-Ou-Mandel-effekten, men som i dette tilfælde fanger en ny form for kvanteinterferens.

Kvantefysikken fortæller os, at Hong-Ou-Mandel-effekten er en konsekvens af interferensfænomenet, kombineret med det faktum, at begge fotoner er fuldstændig identiske. Dette betyder, at det er umuligt at skelne den bane, hvor begge fotoner blev reflekteret fra spejlet på den ene side, og den bane, hvor begge blev transmitteret gennem spejlet på den anden side; det er grundlæggende umuligt at skelne fotonerne fra hinanden. Den bemærkelsesværdige konsekvens af dette er, at begge baner ophæver hinanden! Som resultat, de to fotoner observeres aldrig på de to modsatte sider af spejlet. Denne egenskab ved fotoner er ret uhåndgribelig:hvis de var små kugler, identiske på alle måder, begge disse baner kunne meget vel observeres. Som det ofte er tilfældet, kvantefysik er i modstrid med vores klassiske intuition.

De to forskere fra ULB og University of Cambridge har påvist, at umuligheden af ​​at differentiere de fotoner, der udsendes af en optisk forstærker, giver en effekt, der kan være endnu mere overraskende. Grundlæggende den interferens, der opstår på et semi-transparent spejl, stammer fra det faktum, at hvis vi forestiller os at skifte de to fotoner på hver side af spejlet, den resulterende konfiguration er nøjagtig identisk. Med en optisk forstærker, på den anden side, effekten identificeret af Cerf og Jabbour skal forstås ved at se på fotonudvekslinger ikke gennem rummet, men gennem tiden.

Når to fotoner sendes ind i en optisk forstærker, de kan simpelthen passere upåvirket. Imidlertid, en optisk forstærker kan også producere (eller ødelægge) et par tvillingefotoner:så en anden mulighed er, at begge fotoner elimineres og et nyt par skabes. I princippet, det burde være muligt at se, hvilket scenarie der er opstået ud fra, om de to fotoner, der forlader den optiske forstærker, er identiske med dem, der blev sendt ind. Hvis det var muligt at skelne fotonerparrene fra hinanden, så ville banerne være anderledes, og der ville ikke være nogen kvanteeffekt. Imidlertid, forskerne har fundet ud af, at den grundlæggende umulighed i at skelne fotoner fra hinanden i tid (med andre ord, det er umuligt at vide, om de er blevet udskiftet inde i den optiske forstærker) helt eliminerer muligheden for selv at observere et par fotoner, der forlader forstærkeren. Det betyder, at forskerne faktisk har identificeret et kvanteinterferensfænomen, der opstår gennem tiden. Forhåbentlig, et eksperiment vil til sidst bekræfte denne fascinerende forudsigelse.