I più piccoli pezzi della natura:singole particelle come gli elettroni, per esempio, sono praticamente intercambiabili. Un elettrone è un elettrone è un elettrone, indipendentemente dal fatto che sia bloccato in un laboratorio sulla Terra, legato a un atomo in una polvere lunare gessosa o espulso da un buco nero extragalattico in un getto surriscaldato. In pratica, anche se, differenze di energia, il movimento o la posizione possono rendere facile distinguere due elettroni.

Un modo per verificare la somiglianza di particelle come gli elettroni è metterle insieme nello stesso tempo e luogo e cercare l'interferenza, un effetto quantistico che si verifica quando le particelle (che possono anche comportarsi come onde) si incontrano. Questa interferenza è importante per tutto, dai test fondamentali della fisica quantistica ai calcoli veloci dei computer quantistici, ma crearlo richiede un controllo squisito sulle particelle che sono indistinguibili.

Con l'obiettivo di alleggerire questi requisiti, i ricercatori del Joint Quantum Institute (JQI) e del Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) hanno allungato più fotoni, le particelle quantistiche di luce, e trasformato tre impulsi distinti in onde quantistiche sovrapposte. Il lavoro, che è stato pubblicato di recente sulla rivista Lettere di revisione fisica , ripristina l'interferenza tra i fotoni e può eventualmente consentire la dimostrazione di un particolare tipo di supremazia quantistica, un chiaro vantaggio in termini di velocità per i computer che funzionano secondo le regole della fisica quantistica.

"Mentre i fotoni non interagiscono direttamente tra loro, quando si incontrano possono esibire una caratteristica puramente quantistica assente dal classico, onde non quantistiche, " dice Mohammad Hafezi, JQI Fellow, un coautore del documento e un professore associato di fisica e ingegneria elettrica e informatica presso l'Università del Maryland.

In questi giorni, testare la somiglianza dei fotoni è di routine. Si tratta di riunirli in un dispositivo chiamato divisore di fascio e misurare la luce che esce dall'altra parte.

Quando un singolo fotone colpisce un divisore di fascio bilanciato, c'è una probabilità del 50% che attraversi direttamente e una probabilità del 50% che si rifletta ad angolo. Posizionando i rilevatori in questi due possibili percorsi, gli scienziati possono misurare in che direzione vanno i singoli fotoni.

Se due fotoni identici si incontrano nel divisore di fascio, con uno che viaggia a est e l'altro a nord, si è tentati di applicare lo stesso trattamento a ciascuna particella singolarmente. È vero che entrambi i fotoni hanno la stessa possibilità di viaggiare o riflettere, ma poiché i fotoni sono indistinguibili, è impossibile dire quale va dove.

Il risultato di questa confusione di identità è che due delle possibili combinazioni, quelle in cui entrambi i fotoni viaggiano direttamente attraverso il divisore di fascio ed entrambi i fotoni riflettono, si annullano a vicenda, lasciando dietro di sé un risultato nettamente quantistico:i fotoni si alleano e viaggiano in coppia, finendo sempre su uno dei due rivelatori insieme.

Ora Hafezi e i suoi colleghi dell'UMD e dell'Università di Portsmouth hanno osservato un effetto di interferenza simile con fotoni distinguibili:impulsi di luce lunghi solo due picosecondi (un picosecondo è un trilionesimo di secondo) separati da decine di picosecondi. Il trucco essenziale era trovare un modo per rendere gli impulsi meno distinguibili in modo che potessero interferire.

"Abbiamo usato un singolo elemento ottico che è fondamentalmente una fibra, "dice Sunil Mittal, un ricercatore post-dottorato presso JQI e coautore del nuovo articolo. "Emula l'equivalente di circa 150 chilometri di fibra, che allunga i fotoni. Si comporta un po' come una lente al contrario, causando la dispersione e la sfocatura di frequenze diverse negli impulsi".

Allungando ogni fotone di un fattore di circa 1000, i ricercatori potrebbero cancellare efficacemente il ritardo tra gli impulsi e creare ampie sezioni di sovrapposizione. Questa sovrapposizione rendeva più probabile che i fotoni arrivassero ai rivelatori contemporaneamente e interferissero l'uno con l'altro.

Esperimenti precedenti (inclusi JQI e QuICS Fellow Christopher Monroe e collaboratori) hanno interferito con successo con fotoni distinguibili, ma quei risultati richiedevano più canali per la luce in entrata, uno per ogni fotone. Il nuovo lavoro utilizza un solo canale che trasporta la luce alle frequenze di telecomunicazione standard, che secondo gli autori consente al loro sistema di scalare facilmente per includere molti più fotoni.

Avere più fotoni consentirebbe ai ricercatori di studiare il campionamento dei bosoni, un problema computazionale che si pensa sia troppo difficile per i normali computer (simile al problema che si dice abbia risolto Google). Nella sua forma standard, Il campionamento dei bosoni riguarda i fotoni, che sono membri di una famiglia di particelle chiamate bosoni, che si fanno strada attraverso una grande rete di divisori di fascio. I fotoni entrano nella rete attraverso diversi canali ed escono ai rivelatori, con un rivelatore per canale.

Il "problema" del campionamento dei bosoni consiste nel fare un complicato lancio di una moneta, poiché ogni esperimento campiona dalla possibilità sottostante che (diciamo) tre fotoni entrino nella rete alle porte 1, 2 e 5 finiranno alle uscite 2, 3 e 7. L'interferenza all'interno della rete è complessa e impossibile da tracciare con un normale computer, anche per un numero modesto di fotoni, e diventa più difficile quanto più fotoni si aggiungono. Ma con fotoni reali in una rete reale, il problema si risolverebbe da solo.

"La connessione di questo esperimento al campionamento dei bosoni è un ottimo esempio di come la crescente sinergia tra la fisica quantistica a molti corpi e la teoria della complessità computazionale possa portare a grandi progressi in entrambi i campi, " afferma JQI e QuICS Fellow Alexey Gorshkov, un professore associato di fisica all'UMD e un altro co-autore dell'articolo.

Ma fino ad ora, gli esperimenti di campionamento dei bosoni hanno sofferto del problema della scalabilità:risolvere il problema per più fotoni significava aggiungere più canali, il che significava occupare più spazio e cronometrare l'arrivo di ancora più fotoni per garantire la loro interferenza. Mittal afferma che la loro tecnica risolve potenzialmente entrambi questi problemi.

"Nel nostro sistema, gli ingressi non devono essere in fibre diverse, " Dice Mittal. "Tutti i fotoni possono viaggiare in una singola fibra e le differenze di tempo possono essere cancellate con lo stesso metodo che abbiamo già dimostrato." Un altro dispositivo standard potrebbe imitare la rete di divisori di fascio, con l'ulteriore vantaggio di consentire una facile riconfigurazione, dice Mittal. "Non stiamo facendo il campionamento dei bosoni ora, ma sarebbe relativamente facile andare in quella direzione".