Bajo ciertas condiciones, dos fotones individuales indistinguibles forman un par como resultado de la interferencia. Este efecto cuántico sutil ha sido fotografiado con éxito por primera vez por Michael Jachura y Radoslaw Chrapkiewicz, estudiantes de doctorado en la Facultad de Física de la Universidad de Washington.
Foto de portada ambos investigadores junto a los aparatos de medición-Crédito: UW Física, R. Chrapkiewicz
En el mundo cuántico de la luz, ser distinguibles significa quedarse solo. Sólo los fotones que son indistinguibles pueden terminar en un par, a través de lo que se llama interferencia Hong-Ou-Mandel. Este efecto cuántico sutil ha sido fotografiado con éxito por primera vez por dos estudiantes de doctorado de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.
Los ‘paparazzi’ cuánticos de la universidad de Varsovia han logrado captar lo que los físicos han sabido durante mucho tiempo: que los fotones pueden llegar a ser agrupados juntos. Sin embargo, las limitaciones tecnológicas han impedido que el fenómeno pueda ser observado directamente.
En un artículo recientemente publicado en la prestigiosa revista óptica Optics Letters, Michael Jachura y Radoslaw Chrapkiewicz presentan una secuencia de la película que muestra claramente a los fotones formando pares. «Somos los primeros en haber filmado fotones individuales en una situación muy interesante, de ‘emparejamiento’ «, dice Jachura quien asemeja jocosamente la situación a la de unos paparazzi manejando una cámara de última generación, en el exclusivo ‘lugar’ del mundo de la mecánica cuántica, queriendo captar a las ‘celebrities” que eran los fotones individuales en pleno acto.
Interferencia Hong-Ou-Mandel
La interferencia es un fenómeno que puede observarse cuando cualquier onda – ya sea una onda de luz, una onda de sonido, u otra – pasa a través de una barrera con más de una apertura (un experimento llevado a cabo por primera vez por el físico británico Thomas Young). Cada apertura actúa entonces como la fuente de una nueva onda, y un patrón característico de franjas de interferencia se forma en el otro lado de la pantalla colocada detrás de la barrera. En el caso de las ondas de luz, vemos franjas brillantes donde los frentes de onda se refuerzan mutuamente, y franjas oscuras en el que se cancelan mutuamente.
Los objetos en el mundo cuántico se caracterizan por cierta propiedad sorprendente: pueden comportarse bien como partículas o bien como ondas, dependiendo de cómo las observamos. Si un fotón individual se comporta como una onda, puede pasar a través de dos aperturas al mismo tiempo y se formarán franjas de interferencia en el otro lado de la barrera (en otras palabras, el fotón único interferirá con el mismo). Pero tal interferencia sólo se observa si el sistema de medición no nos permite determinar por qué apertura atravesó el fotón. Si nosotros lo hacemos posible (por ejemplo, mediante la colocación de una placa de polarización detrás de una de las aperturas), el fotón se comportará de inmediato como una partícula y las franjas de interferencia desaparecen.
En 1987, un grupo de físicos de la Universidad de Rochester (UR) predijeron y observaron un efecto cuántico sutil en un montaje experimental que involucraba una placa divisora de haz, que transmite parte de la luz que cae sobre ella y refleja el resto. Los parámetros de la placa pueden ser elegidos de manera que la probabilidad de que un fotón dado se refleje es igual a la probabilidad de su paso a través de la placa. Si un fotón se envía hacia la placa desde un lado y otro fotón desde el otro lado, hay cuatro posibles resultados: ambos fotones pueden ser reflejados, ambos pueden ser transmitidos al otro lado, uno de los fotones puede reflejarse mientras que el otro se transmite, o viceversa. Los cálculos de mecánica cuántica realizados por los físicos de la UR indicaron que estos diversos escenarios ocurren realmente, pero sólo cuando los fotones que chocan contra la placa son distinguibles, lo que significa que se comportan como partículas. Pero si los fotones se mantienen indistinguibles, se producirán interferencias entre ellos. Como resultado, los dos fotones se acoplan en un par y siempre aparecen juntos, en un lado de la placa o en el otro lado.
«El efecto de Hong-Ou-Mandel se había observado antes, pero sólo mediante el uso de fotodiodos, que simplemente señalaban la detección de un fotón mediante el envío de un impulso eléctrico. Estábamos mucho mejor equipado, teniendo a nuestra disposición una cámara muy avanzado construida por nuestro grupo de investigación. Esta cámara, un poco similar a las gafas de visión nocturna, se compone de un intensificador de imagen ultra-moderno y un sensor sCMOS rápido muy sensible y de bajo nivel de ruido. Ha demostrado ser tan bueno que hemos sido capaces de estudiar el comportamiento de las partículas de la luz y logrado filmar su interferencia cuántica «, dice Chrapkiewicz, haciendo hincapié en que el equipo de diseño de la cámara también incluye a Wojciech Wasilewski, PhD, y Jaroslaw Iwaszkiewicz, Ing. (Ambos de la Facultad de Física de la Universidad de Washington).
Utilizando la cámara y el intensificador de imágenes, los investigadores de Física de la Universidad de Varsovia lograron filmar el comportamiento de los fotones en dos situaciones: cuando los fotones que se enviaban hacia la placa divisora de haz eran distinguibles y cuando eran indistinguibles. En el primer caso la secuencia de imágenes muestra manchas verdes individuales, que representan los fotones individuales siendo grabados, apareciendo al azar en los lados opuestos de la placa o en conjunto en un lado o el otro. Pero en el momento que los físicos eliminaron la distinguibilidad a propósito, los fotones de inmediato se unieron en parejas y dejaron la placa divisora de haz siempre en el mismo lado, pero nunca por separado.
«Conseguir filmar la interferencia de dos fotones es un resultado muy importante para la óptica cuántica, ya que significa que a partir de ahora los físicos podrán observar directamente los fenómenos ópticos espaciales que implican a fotones individuales», destaca el profesor Tomasz Matulewicz, director del Instituto de Física Experimental de la Facultad de de Física de la Universidad de Washington.
Este logro de la investigación, hecho posible gracias a una ayuda PRELUDIUM del Centro Nacional de Ciencias de Polonia, representa un paso importante hacia el desarrollo de métodos eficientes de detección de estados cuánticos de la luz y la construcción de microscopios ópticos de súper-resolución de un nuevo tipo, capaces de grabar imágenes utilizando un número pequeño de fotones y por lo tanto, completamente seguros de usar incluso con muestras muy delicadas.
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Video Efecto Hong-Ou-Mandel grabado por primera vez
