Квантова інтерференція світла: виявлено аномальне явище

Троє дослідників із Вільного університету Брюсселя (Бельгія) виявили суперечливий аспект фізики фотонної інтерференції. У статті, опублікованій цього місяця в Nature Photonics, вони запропонували уявний експеримент, який повністю суперечить загальним знанням про так звану властивість групування фотонів. Спостереження цього аномального ефекту групування, здається, є в межах досяжності сучасних фотонних технологій і, якщо це буде досягнуто, сильно вплине на наше розуміння багаточастинкових квантових інтерференцій.

Одним із наріжних каменів квантової фізики є принцип комплементарності Нільса Бора, який, грубо кажучи, стверджує, що об’єкти можуть поводитися або як частинки, або як хвилі. Ці два взаємовиключні описи добре проілюстровано в культовому експерименті з подвійною щілиною, де частинки стикаються з пластиною, що містить дві щілини. Якщо не спостерігати за траєкторією кожної частинки, можна спостерігати хвилеподібні інтерференційні смуги під час збирання частинок після проходження через щілини. Але якщо спостерігати за траєкторіями, то смуги зникають і все відбувається так, ніби ми маємо справу з частинко-подібними кулями в класичному світі.

За словами фізика Річарда Фейнмана, інтерференційні смуги виникають через відсутність інформації про те, який шлях, тому смуги обов’язково повинні зникнути, щойно експеримент дозволить нам дізнатися, що кожна частинка пройшла той чи інший шлях через лівий або правий проріз.

Світло не уникне цієї подвійності: його можна або описати як електромагнітну хвилю, або його можна зрозуміти як складене з безмасових частинок, що рухаються зі швидкістю світла, а саме фотонів. Це пов’язано з іншим чудовим явищем: групуванням фотонів. Грубо визначено, якщо немає способу розрізнити фотони та знати, яким шляхом вони йдуть в експерименті квантової інтерференції, то вони, як правило, злипаються разом.

Таку поведінку вже можна спостерігати, коли два фотони стикаються з боком напівпрозорого дзеркала, яке розділяє вхідне світло на два можливі шляхи, пов’язані з відбитим і пропущеним світлом. Дійсно, відомий ефект Хонга–Оу–Манделя говорить нам тут про те, що два вихідних фотони завжди виходять разом з одного боку дзеркала, що є наслідком хвилеподібної інтерференції між їхніми шляхами.

Цей ефект групування не можна зрозуміти в класичному світогляді, де ми думаємо про фотони як про класичні кулі, кожна з яких має чітко визначений шлях. Таким чином, логічно очікується, що групування стане менш вираженим, як тільки ми зможемо розрізнити фотони та простежити, яким шляхом вони пішли. Це саме те, що можна спостерігати експериментально, якщо два фотони, що падають на напівпрозоре дзеркало, мають, наприклад, чітку поляризацію або різні кольори: вони поводяться як класичні кульки й більше не збиваються. Зазвичай визнається, що ця взаємодія між групуванням фотонів і розрізненістю відображає загальне правило: групування має бути максимальним для повністю нерозрізнених фотонів і поступово зменшуватися, коли фотони стають більш помітними.

Попри всі випадки, це поширене припущення нещодавно було доведено помилковою командою з Центру квантової інформації та комунікації в Політехнічній школі Брюсселя, Вільного університету Брюсселя під керівництвом професора Ніколаса Серфа, якому допомагав його доктор філософії. студент Бенуа Серон і його постдокторант доктор Леонардо Ново, нині штатний дослідник у Міжнародній іберійській нанотехнологічній лабораторії, Португалія.

Вони розглянули конкретний теоретичний сценарій, коли сім фотонів потрапляють на великий інтерферометр, і дослідили випадки, коли всі фотони збираються у два вихідних шляхи інтерферометра. Логічно групування має бути найсильнішим, коли всі сім фотонів допускають однакову поляризацію, оскільки це робить їх повністю нерозрізненими, тобто ми не отримуємо інформації про їхні шляхи в інтерферометрі. Досить дивно, що дослідники виявили існування деяких випадків, коли згрупування фотонів суттєво посилюється, а не послаблюється, завдяки тому, що фотони частково розрізняються за допомогою добре підібраного шаблону поляризації.

Бельгійська команда скористалася зв’язком між фізикою квантових перешкод і математичною теорією перманентів. Використовуючи нещодавно спростовану гіпотезу про перманенти матриці, вони могли б довести, що можливо ще більше посилити групування фотонів шляхом точного налаштування поляризації фотонів. Крім інтриги для фундаментальної фізики інтерференції фотонів, це аномальне явище групування повинно мати наслідки для квантових фотонних технологій, які показали швидкий прогрес протягом останніх років.

Експерименти, спрямовані на створення оптичного квантового комп’ютера, досягли безпрецедентного рівня контролю, де багато фотонів можуть створюватися, втручатися через складні оптичні схеми та підраховуватися за допомогою детекторів, що розрізняють число фотонів. Тому розуміння тонкощів групування фотонів, яке пов’язане з квантовою бозонною природою фотонів, є важливим кроком у цій перспективі. Джерело