La probabilità di trovare un certo numero di fotoni all'interno di un impulso laser corrisponde solitamente ad una distribuzione classica di eventi indipendenti, la cosiddetta distribuzione di Poisson. Ci sono, però, sorgenti luminose con distribuzioni del numero di fotoni non classiche che possono essere descritte solo dalle leggi della meccanica quantistica. Un esempio ben noto è la sorgente a singolo fotone che può trovare applicazione nella crittografia quantistica per la distribuzione di chiavi segrete o nelle reti quantistiche per collegare memorie e processori quantistici. Però, per molte applicazioni in ottica quantistica non lineare impulsi luminosi con un certo numero fisso di fotoni, per esempio. Due, tre o quattro, sono altamente desiderabili. Un team di scienziati della Divisione di dinamica quantistica del professor Gerhard Rempe presso l'Istituto Max Planck di ottica quantistica (Garching vicino a Monaco) è ora riuscito a fare i primi passi in questa direzione. Utilizzando un sistema atomo-cavità fortemente accoppiato, furono i primi ad osservare il cosiddetto blocco a due fotoni:il sistema emette al massimo due fotoni contemporaneamente poiché la sua capacità di immagazzinamento è limitata a quel numero ( PRL , 31 marzo 2017).

Un approccio ingenuo per generare un flusso di singoli fotoni sarebbe quello di attenuare sufficientemente l'intensità di un raggio laser. Ma in questo caso il numero di fotoni varia ancora da impulso a impulso, e solo quando si fa la media su molti impulsi si osserva un numero medio di fotoni pari a uno. Le applicazioni invece richiedono un numero fisso di esattamente un fotone per impulso. Le fluttuazioni del numero di fotoni per impulso possono essere fortemente ridotte utilizzando un singolo atomo come sorgente di un singolo fotone. Quando l'atomo è illuminato da un raggio laser, può assorbire un solo fotone alla volta, effettuando così una transizione dallo stato fondamentale a uno stato eccitato. Un secondo fotone può essere assorbito solo dopo che l'atomo è tornato allo stato fondamentale emettendo un fotone. Perciò, non viene rilevato più di un fotone contemporaneamente nel campo luminoso emesso, un effetto noto come "blocco a singolo fotone".

Per estendere questo principio ad un "blocco a due fotoni" bisogna andare oltre un singolo atomo e cercare un sistema che possa immagazzinare più di un fotone, ma non più di due. A tal fine, i fisici MPQ combinano il singolo atomo con una cavità che fornisce capacità di stoccaggio aggiuntive. Una cavità può assorbire un numero illimitato di fotoni e mostra un corrispondente numero elevato di stati energetici che giacciono – come una “scala” – esattamente alla stessa distanza l'uno dall'altro. L'inserimento di un singolo atomo nella cavità introduce un elemento non lineare. Ciò fa sì che i livelli di energia si dividano per una quantità diversa per ciascuno dei "passi della scala". Quindi, la luce laser può eccitare il sistema solo fino al livello su cui è sintonizzato. Il numero di fotoni che possono essere immagazzinati è quindi limitato ad un certo numero, e quindi, non più fotoni di quelli che possono essere emessi.

Nell'esperimento, i fisici tengono un singolo atomo di rubidio in una trappola ottica all'interno di una cavità costituita da due specchi ad alta finezza. La frequenza del raggio laser in arrivo è sintonizzata su un livello di energia che richiede l'assorbimento di due fotoni per la sua eccitazione. Durante i cinque secondi di conservazione dell'atomo vengono eseguiti circa 5000 cicli di misura, durante il quale il sistema viene irradiato da una sonda laser e l'emissione dalla cavità viene registrata tramite rivelatori a singolo fotone. "Interessante, le fluttuazioni nel numero di fotoni emessi dipendono fortemente dal fatto che eccitiamo la cavità o l'atomo, " sottolinea il capo progetto Dr. Tatjana Wilk. "L'effetto che l'assorbimento di due fotoni sopprime un ulteriore assorbimento che porta all'emissione di due o meno fotoni si ottiene solo in caso di eccitazione atomica. Questo effetto quantistico non appare quando eccitiamo la cavità. In questo caso, osserviamo un segnale potenziato di tre e più fotoni per impulso luminoso."

Christoph Hamsen, dottorando all'esperimento, spiega i processi sottostanti:"Quando l'atomo è eccitato abbiamo a che fare con l'interazione tra due meccanismi in conflitto. Da un lato, l'atomo può assorbire un solo fotone alla volta. D'altra parte, il sistema atomo-cavità fortemente accoppiato è risonante con una transizione a due fotoni. Questa interazione porta a una sequenza di plus di luce con una distribuzione di fotoni non classica." E Nicolas Tolazzi, un altro dottorando, aggiunge:"Siamo stati in grado di osservare questo comportamento nelle correlazioni tra i fotoni rilevati in cui la coincidenza di tre fotoni è stata significativamente soppressa rispetto alle aspettative per il caso classico".

Il Prof. Gerhard Rempe fornisce una panoramica sulle possibili estensioni dell'esperimento:"Attualmente, il nostro sistema emette impulsi luminosi con due fotoni al massimo, ma anche impulsi con meno, uno o anche zero, fotoni. Si comporta come una sorta di "passa-basso". Ci sono, però, una serie di applicazioni per la comunicazione quantistica e l'elaborazione delle informazioni quantistiche in cui esattamente due, sono necessari tre o quattro fotoni. Il nostro obiettivo finale è la generazione di stati puri in cui ogni impulso di luce contiene esattamente lo stesso numero desiderato di fotoni. Il blocco a due fotoni dimostrato nel nostro esperimento è il primo passo in questa direzione." Olivia Meyer-Streng