La probabilidad de encontrar un cierto número de fotones dentro de un pulso láser generalmente corresponde a una distribución clásica de eventos independientes, la denominada distribución de Poisson. Existen, sin embargo, fuentes de luz con distribuciones de números de fotones no clásicas que solo pueden describirse mediante las leyes de la mecánica cuántica. Un ejemplo bien conocido es la fuente de fotón único que puede encontrar aplicación en la criptografía cuántica para la distribución de claves secretas o en redes cuánticas para conectar procesadores y memorias cuánticas. Sin embargo, para muchas aplicaciones en óptica cuántica no lineal pulsos de luz con un cierto número fijo de fotones, p.ej. dos, tres o cuatro, son muy deseables. Un equipo de científicos de la División de Dinámica Cuántica del profesor Gerhard Rempe en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Garching, cerca de Munich) ha logrado dar los primeros pasos en esta dirección. Usando un sistema átomo-cavidad fuertemente acoplado, Fueron los primeros en observar el llamado bloqueo de dos fotones:el sistema emite como máximo dos fotones al mismo tiempo ya que su capacidad de almacenamiento se limita a ese número ( PRL , 31 de marzo de 2017).

Un enfoque ingenuo para generar una corriente de fotones individuales sería atenuar suficientemente la intensidad de un rayo láser. Pero en este caso, el número de fotones aún varía de pulso a pulso, y solo cuando se promedia sobre muchos pulsos se observa un número medio de fotones de uno. En cambio, las aplicaciones requieren un número fijo de exactamente un fotón por pulso. Las fluctuaciones del número de fotones por pulso se pueden reducir considerablemente utilizando un solo átomo como fuente de un solo fotón. Cuando el átomo es iluminado por un rayo láser, puede absorber solo un fotón a la vez, haciendo así una transición del estado fundamental a un estado excitado. Un segundo fotón solo puede absorberse después de que el átomo haya vuelto al estado fundamental emitiendo un fotón. Por lo tanto, no se detecta más de un fotón en el campo de luz emitido al mismo tiempo, un efecto que se conoce como "bloqueo de fotón único".

Para extender este principio a un "bloqueo de dos fotones" uno tiene que ir más allá de un solo átomo y buscar un sistema que pueda almacenar más de un fotón, pero no más de dos. Para tal fin, los físicos de MPQ combinan el átomo individual con una cavidad que proporciona capacidades de almacenamiento adicionales. Una cavidad puede absorber un número ilimitado de fotones y exhibe un número correspondientemente grande de estados de energía que se encuentran, similar a una "escalera", exactamente a la misma distancia entre sí. Insertar un solo átomo en la cavidad introduce un elemento no lineal. Esto hace que los niveles de energía se dividan en una cantidad diferente para cada uno de los 'escalones de la escalera'. Por eso, La luz láser puede excitar el sistema solo hasta el nivel al que está sintonizado. Por tanto, el número de fotones que se pueden almacenar se limita a un cierto número, y por lo tanto, no se pueden emitir más fotones de los que se pueden emitir.

En el experimento, los físicos sostienen un solo átomo de rubidio en una trampa óptica dentro de una cavidad hecha de dos espejos de alta delicadeza. La frecuencia del rayo láser entrante se ajusta a un nivel de energía que requiere la absorción de dos fotones para su excitación. Durante los cinco segundos de tiempo de almacenamiento del átomo se llevan a cabo alrededor de 5000 ciclos de medición, durante el cual el sistema es irradiado por un láser de sonda y la emisión de la cavidad se registra mediante detectores de fotón único. "Curiosamente, las fluctuaciones en el número de fotones emitidos dependen en gran medida de si excitamos la cavidad o el átomo, ", señala la líder del proyecto, la Dra. Tatjana Wilk." El efecto de que la absorción de dos fotones suprima la absorción adicional que conduce a la emisión de dos o menos fotones solo se logra en caso de excitación atómica. Este efecto cuántico no aparece cuando excitamos la cavidad. En este caso, observamos una señal mejorada de tres o más fotones por pulso de luz ".

Christoph Hamsen, candidato a doctorado en el experimento, explica los procesos subyacentes:"Cuando el átomo se excita, estamos lidiando con la interacción entre dos mecanismos en conflicto. Por un lado, el átomo puede absorber solo un fotón a la vez. Por otra parte, el sistema átomo-cavidad fuertemente acoplado resuena con una transición de dos fotones. Esta interacción conduce a una secuencia de ventajas de la luz con una distribución de fotones no clásica ". Y Nicolas Tolazzi, otro candidato a doctorado, agrega:"Pudimos observar este comportamiento en las correlaciones entre los fotones detectados donde la coincidencia de tres fotones se suprimió significativamente en comparación con la expectativa para el caso clásico".

El profesor Gerhard Rempe ofrece una perspectiva sobre posibles extensiones del experimento:"En la actualidad, nuestro sistema emite pulsos de luz con dos fotones como máximo, pero también legumbres con menos, uno o incluso cero, fotones. Actúa como una especie de "pase bajo". Existen, sin embargo, una serie de aplicaciones para la comunicación cuántica y el procesamiento de información cuántica eran exactamente dos, se requieren tres o cuatro fotones. Nuestro objetivo final es la generación de estados puros donde cada pulso de luz contiene exactamente el mismo número deseado de fotones. El bloqueo de dos fotones demostrado en nuestro experimento es el primer paso en esta dirección ". Olivia Meyer-Streng