Fin dall'inizio della fisica quantistica, cento anni fa, è noto che tutte le particelle nell'universo rientrano in due categorie:fermioni e bosoni. Ad esempio, i protoni che si trovano nei nuclei atomici sono fermioni, mentre i bosoni includono i fotoni, che sono particelle di luce, così come il bosone di BroutEnglert-Higgs, per cui François Englert, un professore all'ULB, è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 2013.

I bosoni, specialmente i fotoni, hanno una naturale tendenza ad aggregarsi. Uno degli esperimenti più notevoli che hanno dimostrato la tendenza dei fotoni a fondersi è stato condotto nel 1987, quando tre fisici identificarono un effetto che da allora prese il nome da loro:l'effetto Hong-Ou-Mandel. Se due fotoni vengono inviati contemporaneamente, ciascuno verso un lato diverso di un divisore di fascio, una sorta di specchio semitrasparente, ci si potrebbe aspettare che ogni fotone venga riflesso o trasmesso.

Logicamente, a volte i fotoni dovrebbero essere rilevati sui lati opposti di questo specchio, che accadrebbe se entrambi fossero riflessi o se entrambi fossero trasmessi. Però, l'esperimento ha dimostrato che questo in realtà non accade mai:i due fotoni finiscono sempre dalla stessa parte dello specchio, come se 'preferissero' restare uniti. In un articolo pubblicato di recente sulla rivista statunitense Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Nicolas Cerf, professore al Center for Quantum Information and Communication (École polytechnique de Bruxelles) e il suo ex dottorato di ricerca. lo studente Michael Jabbour, ora ricercatore post-dottorato presso l'Università di Cambridge, descrive come hanno identificato un altro modo in cui i fotoni manifestano la loro tendenza a stare insieme. Invece di uno specchio semitrasparente, i ricercatori hanno utilizzato un amplificatore ottico, chiamato componente attivo perché produce nuovi fotoni. Sono stati in grado di dimostrare l'esistenza di un effetto simile all'effetto Hong-Ou-Mandel, ma che in questo caso cattura una nuova forma di interferenza quantistica.

La fisica quantistica ci dice che l'effetto Hong-Ou-Mandel è una conseguenza del fenomeno dell'interferenza, insieme al fatto che entrambi i fotoni sono assolutamente identici. Ciò significa che è impossibile distinguere la traiettoria in cui entrambi i fotoni sono stati riflessi dallo specchio da un lato, e la traiettoria in cui entrambi sono stati trasmessi attraverso lo specchio d'altra parte; è fondamentalmente impossibile distinguere i fotoni. La notevole conseguenza di ciò è che entrambe le traiettorie si annullano a vicenda! Di conseguenza, i due fotoni non si osservano mai sui due lati opposti dello specchio. Questa proprietà dei fotoni è abbastanza sfuggente:se fossero palline minuscole, identico in tutto e per tutto, entrambe queste traiettorie potrebbero benissimo essere osservate. Come spesso accade, la fisica quantistica è in contrasto con la nostra intuizione classica.

I due ricercatori dell'ULB e dell'Università di Cambridge hanno dimostrato che l'impossibilità di differenziare i fotoni emessi da un amplificatore ottico produce un effetto che potrebbe essere ancora più sorprendente. Fondamentalmente, l'interferenza che si verifica su uno specchio semitrasparente deriva dal fatto che se immaginiamo di scambiare i due fotoni ai lati dello specchio, la configurazione risultante è esattamente identica. Con un amplificatore ottico, d'altra parte, l'effetto individuato da Cerf e Jabbour va compreso guardando agli scambi di fotoni non attraverso lo spazio, ma attraverso il tempo.

Quando due fotoni vengono inviati in un amplificatore ottico, possono semplicemente passare attraverso inalterati. Però, un amplificatore ottico può anche produrre (o distruggere) una coppia di fotoni gemelli:quindi un'altra possibilità è che entrambi i fotoni vengano eliminati e si crei una nuova coppia. In linea di principio, dovrebbe essere possibile dire quale scenario si è verificato in base al fatto che i due fotoni in uscita dall'amplificatore ottico siano identici a quelli che sono stati inviati. Se fosse possibile distinguere le coppie di fotoni, allora le traiettorie sarebbero diverse e non ci sarebbe alcun effetto quantistico. Però, i ricercatori hanno scoperto che l'impossibilità fondamentale di distinguere i fotoni nel tempo (in altre parole, è impossibile sapere se sono stati sostituiti all'interno dell'amplificatore ottico) elimina completamente la possibilità stessa di osservare una coppia di fotoni in uscita dall'amplificatore. Ciò significa che i ricercatori hanno effettivamente identificato un fenomeno di interferenza quantistica che si verifica nel tempo. Auspicabilmente, un esperimento alla fine confermerà questa affascinante previsione.