(Phys.org) —Los físicos han realizado una variación del famoso experimento de doble rendija de 200 años que, por primera vez, implica "trayectorias en bucle exóticas" de fotones. Estos fotones viajan hacia adelante a través de una rendija, luego da la vuelta y viaja de regreso a través de otra hendidura, y luego, a veces, dar vueltas nuevamente y viajar hacia adelante a través de una tercera rendija.

Curiosamente, la contribución de estas trayectorias en bucle al patrón de interferencia general conduce a una aparente desviación de la forma habitual del principio de superposición. Esta aparente desviación puede entenderse como una aplicación incorrecta del principio de superposición:una vez que se tiene en cuenta la interferencia adicional entre las trayectorias en bucle y rectas, la superposición se puede aplicar correctamente.

El equipo de físicos, liderado por Omar S. Magaña-Loaiza e Israel De Leon, ha publicado un artículo sobre el nuevo experimento en un número reciente de Comunicaciones de la naturaleza.

Bucles de luz

"Nuestro trabajo es la primera observación experimental de trayectorias en bucle, "De Leon dijo Phys.org . "Las trayectorias en bucle son extremadamente difíciles de detectar debido a su baja probabilidad de ocurrencia. Anteriormente, los investigadores habían sugerido que estas trayectorias exóticas podrían existir, pero no las observaron ".

Para aumentar la probabilidad de que se produzcan trayectorias en bucle, los investigadores diseñaron una estructura de tres rendijas que soporta plasmones superficiales, que los científicos describen como "campos electromagnéticos fuertemente confinados que pueden existir en la superficie de los metales". La presencia de estos campos electromagnéticos cerca de las tres ranuras aumenta la contribución de las trayectorias en bucle al patrón de interferencia general en casi dos órdenes de magnitud.

"Proporcionamos una explicación física que vincula la probabilidad de estas trayectorias exóticas con los campos cercanos alrededor de las rendijas, "Dijo De Leon." Como tal, se puede aumentar la fuerza de los campos cercanos alrededor de las rendijas para aumentar la probabilidad de que los fotones sigan trayectorias en bucle ".

Principio de superposición que tiene en cuenta las trayectorias en bucle

El nuevo experimento de tres rendijas con trayectorias en bucle es solo una de las muchas variaciones del experimento original de doble rendija. realizado por primera vez por Thomas Young en 1801. Desde entonces, los investigadores han estado realizando versiones que usan electrones, átomos, o moléculas en lugar de fotones.

Una de las razones por las que el experimento de la doble rendija ha atraído tanta atención es que representa una manifestación física del principio de superposición cuántica. La observación de que las partículas individuales pueden crear un patrón de interferencia implica que las partículas deben viajar a través de ambas rendijas al mismo tiempo. Esta capacidad de ocupar dos lugares, o estados, En seguida, es la característica definitoria de la superposición cuántica.

Hasta aquí, todas las versiones anteriores del experimento han producido resultados que parecen estar descritos con precisión por el principio de superposición. Esto se debe a que las trayectorias en bucle son tan raras en condiciones normales que su contribución al patrón de interferencia general suele ser insignificante. y así aplicar el principio de superposición a esos casos da como resultado una muy buena aproximación.

Es cuando la contribución de las trayectorias en bucle se vuelve no despreciable que se hace evidente que la interferencia total no es simplemente la superposición de funciones de onda individuales de fotones con trayectorias rectas, por lo que el patrón de interferencia no se describe correctamente mediante la forma habitual del principio de superposición.

Magaña-Loaiza explicó con más detalle esta aparente desviación:

"El principio de superposición es siempre válido; lo que no es válido es la aplicación inexacta del principio de superposición a un sistema con dos o tres rendijas, " él dijo.

"Durante los dos últimos siglos, Los científicos han asumido que no se puede observar la interferencia si solo se ilumina una rendija en un interferómetro de dos o tres rendijas, y esto se debe a que este escenario representa el caso habitual o típico.

"Sin embargo, en nuestro artículo demostramos que esto es cierto solo si la probabilidad de que los fotones sigan trayectorias en bucle es insignificante. Asombrosamente, Las franjas de interferencia se forman cuando los fotones que siguen trayectorias en bucle interfieren con los fotones que siguen trayectorias rectas (directas). incluso cuando solo una de las tres rendijas está iluminada.

"El principio de superposición se puede aplicar a este escenario sorprendente mediante el uso de la suma o 'superposición' de dos funciones de onda; una que describe una trayectoria recta y la otra que describe trayectorias en bucle. No tener en cuenta las trayectorias en bucle representaría una aplicación incorrecta del principio de superposición .

"Hasta cierto punto, este efecto es extraño porque los científicos saben que Thomas Young observó interferencia cuando iluminó ambas rendijas y no solo una. Esto es cierto solo si la probabilidad de que los fotones sigan trayectorias en bucle es insignificante ".

Además de afectar la comprensión de los físicos del principio de superposición tal como se aplica a estos experimentos, Los resultados también revelan nuevas propiedades de la luz que podrían tener aplicaciones para simuladores cuánticos y otras tecnologías que se basan en efectos de interferencia.

"Creemos que las rutas exóticas en bucle pueden tener implicaciones importantes en el estudio de los mecanismos de decoherencia en interferometría o para aumentar la complejidad de ciertos protocolos para paseos aleatorios cuánticos". simuladores cuánticos, y otros algoritmos utilizados en la computación cuántica, "Dijo De Leon.

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