Las piezas más pequeñas de la naturaleza:partículas individuales como electrones, por ejemplo, son prácticamente intercambiables. Un electrón es un electrón es un electrón, independientemente de si está atascado en un laboratorio en la Tierra, unido a un átomo en algún polvo lunar calcáreo o disparado desde un agujero negro extragaláctico en un chorro sobrecalentado. En la práctica, aunque, diferencias de energía, el movimiento o la ubicación pueden facilitar la diferenciación de dos electrones.

Una forma de probar la similitud de partículas como los electrones es juntarlas al mismo tiempo y en el mismo lugar y buscar interferencia, un efecto cuántico que surge cuando las partículas (que también pueden comportarse como ondas) se encuentran. Esta interferencia es importante para todo, desde las pruebas fundamentales de la física cuántica hasta los rápidos cálculos de las computadoras cuánticas, pero crearlo requiere un control exquisito sobre partículas que son indistinguibles.

Con miras a aliviar estos requisitos, Los investigadores del Joint Quantum Institute (JQI) y el Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) han estirado múltiples fotones, las partículas cuánticas de luz, y han convertido tres pulsos distintos en ondas cuánticas superpuestas. La obra, que fue publicado recientemente en la revista Cartas de revisión física , restaura la interferencia entre los fotones y eventualmente puede permitir una demostración de un tipo particular de supremacía cuántica, una clara ventaja de velocidad para las computadoras que funcionan según las reglas de la física cuántica.

"Si bien los fotones no interactúan directamente entre sí, cuando se encuentran, pueden exhibir una característica puramente cuántica ausente de la clásica, ondas no cuánticas, "dice el miembro de JQI Mohammad Hafezi, coautor del artículo y profesor asociado de física e ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Maryland.

Estos días, probar la similitud de los fotones es una rutina. Implica juntarlos en un dispositivo llamado divisor de haz y medir la luz que sale por el otro lado.

Cuando un solo fotón golpea un divisor de haz balanceado, hay un 50 por ciento de posibilidades de que viaje directamente y un 50 por ciento de que se refleje en ángulo. Al colocar detectores en estos dos posibles caminos, los científicos pueden medir en qué dirección terminan yendo los fotones individuales.

Si dos fotones idénticos se encuentran en el divisor de haz, con uno viajando hacia el este y el otro hacia el norte, es tentador aplicar el mismo tratamiento a cada partícula individualmente. Es cierto que ambos fotones tienen la misma posibilidad de viajar o reflejarse, pero debido a que los fotones son indistinguibles, es imposible saber cuál va a dónde.

El resultado de esta confusión de identidad es que dos de las posibles combinaciones, aquellas en las que ambos fotones viajan directamente a través del divisor de haz y ambos fotones se reflejan, se cancelan entre sí, dejando atrás un resultado claramente cuántico:los fotones se unen y viajan como un par, siempre terminando en uno de los dos detectores juntos.

Ahora, Hafezi y sus colegas de la UMD y la Universidad de Portsmouth han observado un efecto de interferencia similar con fotones distinguibles:pulsos de luz de solo dos picosegundos de duración (un picosegundo es una billonésima de segundo) que están separados por decenas de picosegundos. El truco esencial consistía en encontrar una manera de hacer que los pulsos fueran menos distinguibles para que pudieran interferir.

"Usamos un solo elemento óptico que es básicamente una fibra, "dice Sunil Mittal, investigador postdoctoral en JQI y coautor del nuevo artículo. "Emula el equivalente a unos 150 kilómetros de fibra, que estira los fotones. Actúa un poco como una lente al revés, provocando que diferentes frecuencias en los pulsos se dispersen y desenfoques ".

Al alargar cada fotón en un factor de aproximadamente 1000, los investigadores pudieron borrar efectivamente el tiempo de retraso entre pulsos y crear grandes secciones de superposición. Esa superposición hizo que fuera más probable que los fotones llegaran a los detectores al mismo tiempo e interfirieran entre sí.

Experimentos anteriores (incluidos los de JQI y QuICS Fellow Christopher Monroe y colaboradores) han interferido con éxito fotones distinguibles, pero esos resultados requirieron múltiples canales para la luz entrante, uno para cada fotón. El nuevo trabajo utiliza un solo canal que transporta luz a frecuencias de telecomunicaciones estándar, lo que, según los autores, permite que su sistema se escale fácilmente para incluir muchos más fotones.

Tener más fotones permitiría a los investigadores estudiar el muestreo de bosones, un problema computacional que se cree que es demasiado difícil para las computadoras comunes (similar al problema que se rumorea que Google ha resuelto). En su forma estándar, El muestreo de bosones se refiere a los fotones, que son miembros de una familia de partículas llamadas bosones, que se abren paso a través de una gran red de divisores de haz. Los fotones ingresan a la red a través de diferentes canales y salen a los detectores, con un detector por canal.

El "problema" del muestreo de bosones equivale a hacer un complicado lanzamiento de moneda, dado que cada experimento muestra la probabilidad subyacente de que (digamos) tres fotones ingresen a la red en los puertos 1, 2 y 5 terminarán en las salidas 2, 3 y 7. La interferencia dentro de la red es compleja e imposible de rastrear con una computadora normal, incluso para cantidades modestas de fotones, y se vuelve más difícil cuanto más fotones agrega. Pero con fotones reales en una red real, el problema se resolvería solo.

“La conexión de este experimento con el muestreo de bosones es un gran ejemplo de cómo la creciente sinergia entre la física cuántica de muchos cuerpos y la teoría de la complejidad computacional puede conducir a un gran progreso en ambos campos, "dice Alexey Gorshkov, miembro de JQI y QuICS, profesor asociado adjunto de física en la UMD y otro coautor del artículo.

Pero hasta ahora Los experimentos de muestreo de bosones han sufrido el problema de la escalabilidad:resolver el problema de más fotones significaba agregar más canales, lo que significó ocupar más espacio y cronometrar la llegada de aún más fotones para asegurar su interferencia. Mittal dice que su técnica resuelve potencialmente ambos problemas.

"En nuestro sistema, las entradas no necesitan estar en diferentes fibras, "Dice Mittal." Todos los fotones pueden viajar en una sola fibra y las diferencias de tiempo se pueden borrar con el mismo método que ya hemos demostrado ". Otro dispositivo estándar podría imitar la red de divisores de haz, con el beneficio adicional de permitir una fácil reconfiguración, Dice Mittal. "No estamos haciendo muestreo de bosones ahora, pero sería relativamente fácil ir en esa dirección ".