Interferencia cuántica de la luz: un fenómeno anómalo encontrado

Tres investigadores de la Université Libre de Bruxelles en Bélgica han descubierto un lado contrario a la intuición de la física de la interferencia de fotones. En un artículo publicado este mes en Fotónica de la naturaleza, propusieron un experimento mental que contradice completamente el conocimiento común sobre la llamada propiedad de recolección de fotones. La observación de este efecto de agrupación anómalo parece estar al alcance de las tecnologías fotónicas actuales y, si se logra, afectaría gravemente nuestra comprensión de las interferencias multipartículas cuánticas.

Una de las piedras angulares de la física cuántica es el principio de complementariedad de Niels Bohr, que establece, en términos generales, que las cosas pueden comportarse como partículas o como ondas. Estas dos descripciones contradictorias están bien ilustradas en el icónico experimento de doble rendija, en el que las partículas golpean una placa que contiene dos rendijas. Si no se controla la trayectoria de cada partícula, se notan franjas de interferencia similares a ondas cuando las partículas se recogen después de pasar por las rendijas. Pero si se monitorean las trayectorias, las extremidades desaparecen y todo sucede como si estuviéramos tratando con esferas similares a partículas en un universo clásico.

Como lo acuñó el físico Richard Feynman, las franjas de interferencia surgen de la falta de información sobre «qué camino», por lo que las franjas necesariamente deben desaparecer una vez que la experiencia nos permite saber que cada partícula ha tomado uno u otro camino a través de la rendija derecha o izquierda.

La luz no escapa a esta dualidad: puede describirse como una onda electromagnética o puede entenderse como partículas sin masa que se mueven a la velocidad de la luz, es decir, fotones. Esto viene con otro fenómeno fascinante: el fenómeno de la agregación de fotones. En términos generales, si no hay forma de distinguir los fotones y saber qué camino siguen en un experimento de interferencia cuántica, tienden a permanecer juntos.

Este comportamiento ya se puede observar con dos fotones que chocan entre sí en el lado de un espejo translúcido, que divide la luz entrante en dos posibles caminos relacionados con la luz reflejada y la transmitida. De hecho, el famoso efecto Hung Ou Mandel aquí nos dice que los dos fotones externos siempre salen juntos del mismo lado del espejo, lo cual es el resultado de una interferencia similar a una onda entre sus caminos.

Este efecto de agrupación no se puede entender en la cosmovisión clásica, donde pensamos en los fotones como bolas clásicas, cada una tomando un camino bien definido. Por lo tanto, lógicamente hablando, se espera que la agrupación se vuelva menos clara una vez que podamos distinguir los fotones y rastrear los caminos que han tomado. Esto es exactamente lo que se observa experimentalmente si los dos fotones que inciden en el espejo translúcido, por ejemplo, tienen polarizaciones distintas o colores diferentes: se comportan como esferas clásicas y ya no se agrupan. Se reconoce generalmente que esta interacción entre la agregación de fotones y la diferenciabilidad refleja una regla general: la agregación debe ser máxima para los fotones que son completamente indistinguibles y disminuir gradualmente a medida que los fotones se distinguen cada vez más.

Contra todo pronóstico, un equipo del Centro de Información y Comunicación Cuántica del Politécnico de Bruselas, Universitaire Libre de Bruselas, dirigido por el profesor Nicolas Cerf, demostró recientemente que esta suposición común era incorrecta y lo ayudó a obtener su doctorado. El estudiante, Benoit Cerone, y el investigador postdoctoral, el Dr. Leonardo Novo, ahora trabajan como investigadores en el Laboratorio Internacional Ibérico de Nanotecnología, Portugal.

Estudiaron un escenario teórico específico en el que siete fotones chocan con un gran interferómetro y probaron casos en los que todos los fotones convergieron en dos rutas de salida del interferómetro. La agrupación lógicamente debería ser más fuerte cuando los siete fotones admiten la misma polarización porque los hace completamente indistinguibles, lo que significa que no obtenemos información sobre sus trayectorias en el interferómetro. Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que hay algunos casos en los que la agregación de fotones se fortalece en gran medida, en lugar de debilitarse, al hacer que los fotones se distingan parcialmente a través de un patrón de polarización bien elegido.

El equipo belga aprovechó un vínculo entre la física de la interferencia cuántica y la teoría matemática del tiempo. Haciendo uso de una conjetura recientemente refutada sobre las matrices permanentes, pueden demostrar que es posible mejorar aún más la dispersión de fotones ajustando la polarización de los fotones. Además de ser interesante para la física fundamental de la interferencia de fotones, este fenómeno de agrupación anómala debería tener implicaciones para las tecnologías fotónicas cuánticas, que han mostrado un rápido progreso en los últimos años.

Los experimentos destinados a construir una computadora cuántica óptica han alcanzado un nivel de control sin precedentes, donde se pueden crear muchos fotones, interfiriendo a través de circuitos ópticos complejos, y contados con detectores de número de fotones. Por lo tanto, comprender las sutilezas de la agregación de fotones, que está relacionada con la naturaleza bosónica cuántica de los fotones, es un paso importante en esta perspectiva.