Traja výskumníci z Université Libre de Bruxelles v Belgicku objavili protiintuitívnu stránku fyziky interferencie fotónov. V článku uverejnenom tento mesiac v Prírodná fotonika, navrhli myšlienkový experiment, ktorý úplne odporuje bežným poznatkom o takzvanej zberateľskej vlastnosti fotónov. Zdá sa, že pozorovanie tohto anomálneho zoskupovacieho efektu je v dosahu súčasných fotonických technológií, a ak by sa to podarilo, výrazne by to ovplyvnilo naše chápanie kvantových multičasticových interferencií.

Jedným zo základných kameňov kvantovej fyziky je princíp komplementarity Nielsa Bohra, ktorý zhruba hovorí, že veci sa môžu správať buď ako častice, alebo ako vlny. Tieto dva protichodné opisy sú dobre ilustrované v ikonickom experimente s dvojitou štrbinou, v ktorom častice narážajú na platňu obsahujúcu dve štrbiny. Ak sa trajektória každej častice nemonitoruje, všimnete si vlnovité interferenčné prúžky, keď sa častice zhromažďujú po prechode cez štrbiny. Ak sa však sledujú trajektórie, končatiny zmiznú a všetko sa stane, ako keby sme mali do činenia s časticami podobnými sférami v klasickom vesmíre.

Ako to uviedol fyzik Richard Feynman, interferenčné prúžky vznikajú z nedostatku informácií o tom, „ktorá cesta“, takže prúžky musia nevyhnutne zmiznúť, keď nám skúsenosť dá vedieť, že každá častica prešla tou či onou cestou cez pravú alebo ľavú štrbinu.

Svetlo tejto dualite neunikne: možno ho opísať buď ako elektromagnetické vlnenie, alebo ho možno chápať ako pozostávajúce z bezhmotných častíc pohybujúcich sa rýchlosťou svetla, teda fotónov. Toto prichádza s ďalším fascinujúcim fenoménom: fenoménom agregácie fotónov. Voľne povedané, ak neexistuje spôsob, ako rozlíšiť fotóny a vedieť, ktorú cestu sledujú v experimente s kvantovou interferenciou, majú tendenciu držať sa spolu.

Toto správanie je už možné pozorovať pri vzájomnom zrážaní dvoch fotónov na strane priesvitného zrkadla, ktoré rozdeľuje prichádzajúce svetlo na dve možné dráhy spojené s odrazeným a prepusteným svetlom. V skutočnosti nám známy efekt Hung Ou Mandel hovorí, že dva vonkajšie fotóny vždy vychádzajú spoločne na rovnakej strane zrkadla, čo je výsledkom vlnovej interferencie medzi ich dráhami.

Tento efekt zoskupenia nemožno pochopiť v klasickom svetonázore, kde o fotónoch uvažujeme ako o klasických guličkách, pričom každá z nich má presne definovanú cestu. Logicky povedané, očakáva sa, že zhlukovanie bude menej jasné, keď dokážeme rozlíšiť fotóny a sledovať cesty, ktorými sa vydali. To je presne to, čo sa experimentálne pozoruje, ak napríklad dva fotóny dopadajúce na priesvitné zrkadlo majú odlišnú polarizáciu alebo rôzne farby: správajú sa ako klasické gule a už sa nezhlukujú. Všeobecne sa uznáva, že táto interakcia medzi agregáciou fotónov a diferencovateľnosťou odráža všeobecné pravidlo: agregácia by mala byť maximálna pre fotóny, ktoré sú úplne nerozoznateľné a postupne sa znižuje, keď sa fotóny čoraz viac rozlišujú.

Napriek všetkému sa tento bežný predpoklad nedávno ukázal ako nesprávny tímom z Centra pre kvantové informácie a komunikáciu na Bruselskej polytechnickej univerzite, Universitaire Libre de Brussels pod vedením profesora Nicolasa Cerfa, ktorý mu pomohol získať titul Ph.D. Študent Benoit Cerone a postdoktorandský výskumník Dr. Leonardo Novo sú teraz pracujúcimi výskumníkmi v Iberian International Laboratory for Nanotechnology, Portugalsko.

Študovali špecifický teoretický scenár, kde sa sedem fotónov zrazilo s veľkým interferometrom a skúmali prípady, keď sa všetky fotóny zbiehali do dvoch výstupných dráh interferometra. Zoskupenie by malo byť logicky najsilnejšie, keď všetkých sedem fotónov pripúšťa rovnakú polarizáciu, pretože ich robí úplne nerozoznateľnými, čo znamená, že v interferometri nezískame informácie o ich trajektóriách. Prekvapivo výskumníci zistili, že existujú prípady, v ktorých je agregácia fotónov značne posilnená – skôr než oslabená – tým, že sú fotóny čiastočne rozlíšiteľné pomocou dobre zvoleného polarizačného vzoru.

Belgický tím využil prepojenie medzi fyzikou kvantovej interferencie a matematickou teóriou času. Použitím nedávno vyvrátenej domnienky o matricových permanentoch môžu preukázať, že je možné ďalej zvýšiť rozptyl fotónov vyladením polarizácie fotónov. Okrem toho, že je zaujímavý pre základnú fyziku interferencie fotónov, tento fenomén anomálneho zoskupenia by mal mať dôsledky pre kvantové fotonické technológie, ktoré v posledných rokoch ukázali rýchly pokrok.

Experimenty zamerané na zostrojenie optického kvantového počítača dosiahli bezprecedentnú úroveň kontroly, kde môže byť vytvorených veľa fotónov, interferujúcich cez zložité optické obvody a počítané pomocou detektorov počtu fotónov. Dôležitým krokom v tejto perspektíve je preto pochopenie jemností agregácie fotónov, ktorá súvisí s kvantovou bosonickou povahou fotónov.