Interferência quântica da luz: um fenômeno anômalo encontrado

Três pesquisadores da Université Libre de Bruxelles, na Bélgica, descobriram um lado contra-intuitivo da física da interferência de fótons. Em artigo publicado este mês na fotônica da natureza, eles propuseram um experimento mental que contradiz completamente o conhecimento comum sobre a chamada propriedade de coleta de fótons. Observar esse efeito de agrupamento anômalo parece estar ao alcance das tecnologias fotônicas atuais e, se alcançado, afetaria severamente nossa compreensão das interferências quânticas de multipartículas.

Um dos pilares da física quântica é o princípio da complementaridade de Niels Bohr, que afirma, grosso modo, que as coisas podem se comportar como partículas ou como ondas. Essas duas descrições conflitantes são bem ilustradas no icônico experimento da dupla fenda, no qual partículas atingem uma placa contendo duas fendas. Se a trajetória de cada partícula não for monitorada, notam-se franjas de interferência semelhantes a ondas quando as partículas são coletadas após passarem pelas fendas. Mas se as trajetórias forem monitoradas, os membros desaparecem e tudo acontece como se estivéssemos lidando com esferas de partículas em um universo clássico.

Como o físico Richard Feynman cunhou, as franjas de interferência surgem da falta de informações de “qual caminho”, então as franjas devem necessariamente desaparecer uma vez que a experiência nos permite saber que cada partícula tomou um ou outro caminho através da fenda direita ou esquerda.

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 se movem à velocidade da luz, ou seja, os fotões. Isso vem com outro fenômeno fascinante: o fenômeno da agregação de fótons. Falando vagamente, se não houver como diferenciar 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 colidindo na lateral de um espelho translúcido, que divide a luz incidente em dois caminhos possíveis associados à luz refletida e transmitida. Na verdade, o famoso efeito Hung Ou Mandel aqui nos diz que os dois fótons externos sempre saem juntos do mesmo lado do espelho, o que é resultado da interferência ondulatória entre seus caminhos.

Esse efeito de agrupamento não pode ser entendido na visão de mundo clássica em que pensamos nos fótons como bolas clássicas, cada uma seguindo um caminho bem definido. Assim, logicamente falando, espera-se que o agrupamento se torne menos claro quando pudermos distinguir os fótons e rastrear os caminhos que eles seguiram. É exatamente isso que se observa experimentalmente se os dois fótons incidentes no espelho translúcido, por exemplo, tiverem polarizações distintas ou cores diferentes: eles se comportam como esferas clássicas e não se aglomeram mais. Essa interação entre agregação de fótons e diferenciabilidade é geralmente reconhecida como refletindo uma regra geral: a agregação deve ser máxima para fótons que são completamente indistinguíveis e diminui gradualmente à medida que os fótons são cada vez mais diferenciados.

Contra todas as probabilidades, esta suposição comum foi recentemente provada errada por uma equipe do Centro de Informação e Comunicação Quântica no Politécnico de Bruxelas, Universitaire Libre de Brussels, liderada pelo professor Nicolas Cerf, ajudando-o a obter seu Ph.D. O aluno, Benoit Cerone, e o pesquisador de pós-doutorado, Dr. Leonardo Novo, são agora pesquisadores trabalhando no Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, Portugal.

Eles estudaram um cenário teórico específico onde sete fótons colidem com um grande interferômetro e investigaram casos em que todos os fótons convergiram em dois caminhos de saída do interferômetro. O agrupamento deve ser logicamente mais forte quando todos os sete fótons admitem a mesma polarização porque os torna completamente indistinguíveis, o que significa que não obtemos informações sobre suas trajetórias no interferômetro. Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que há alguns casos em que a agregação de fótons é bastante fortalecida – em vez de enfraquecida – tornando os fótons parcialmente distinguíveis por meio de um padrão de polarização bem escolhido.

A equipe belga aproveitou uma ligação entre a física da interferência quântica e a teoria matemática do tempo. Fazendo uso de uma conjectura recentemente refutada sobre matrizes permanentes, eles podem demonstrar que é possível aumentar ainda mais a dispersão de fótons ajustando a polarização dos fótons. Além de ser interessante 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 voltados para a construção de um computador quântico óptico atingiram um nível de controle sem precedentes, onde muitos fótons podem ser criados, interferindo por meio de circuitos ópticos complexos, e contados com detectores de número de fótons. Portanto, entender as sutilezas da agregação de fótons, que está relacionada à natureza bosônica quântica dos fótons, é um passo importante nessa perspectiva.