Fótons idênticos geraram 150 milhões de quilômetros

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Prolongar / Uma fonte próxima de fótons quânticos.

Até os 20 anosº século, a luz era bem comum. Sim, foi uma partícula e uma onda, mas não fez nada muito estranho. Então os cientistas, subempregados após o final da Segunda Guerra Mundial, começaram a prestar mais atenção às propriedades da luz. Isso foi, em parte, impulsionado pela disponibilidade de holofotes excedentes, que poderiam ser transformados em conjuntos baratos de detectores de luz para medir as propriedades das estrelas.

Isso começou com a corrida do fóton do ouro, com cientistas identificando todos os tipos de comportamentos potenciais interessantes. Mas, na verdade, observá-los exigiria fontes de luz bastante especiais, o que não existia. Agora, os cientistas mostraram que o nosso próprio sol pode ser transformado em uma dessas fontes de luz.

Uma manada de fótons idênticos

Quando dois fótons são indistinguíveis, eles podem fazer alguns truques inesperados. O diagrama abaixo mostra um exemplo: dois fótons idênticos atingem um espelho parcialmente refletivo ao mesmo tempo. Não podemos prever onde eles irão, mas onde quer que estejam, eles vão juntos. Se o mundo fosse clássico, esperaríamos que cada um se comportasse de maneira independente e, na metade do tempo, escolhessem direções diferentes. Mas nós estamos em um mundo quântico, então isso não acontece.

Interferência entre duas fontes de fótons individuais em um espelho parcialmente refletivo. Se os dois fótons forem idênticos (à esquerda), eles sempre sairão juntos (embora a direção seja aleatória). Se os fótons não forem idênticos, eles também poderão sair em direções diferentes. "Src =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2019/08/HOM-interference-300x134.png "width = "300" height = "134" srcset = "https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2019/08/HOM-interference-640x286.png 2x
Prolongar / Interferência entre duas fontes de fótons individuais em um espelho parcialmente refletivo. Se os dois fótons forem idênticos (à esquerda), eles sempre sairão juntos (embora a direção seja aleatória). Se os fótons não forem idênticos, eles também poderão sair em direções diferentes.

Chris Lee

Esse tipo de interferência só funciona nos fótons idênticos, que é onde as fontes de luz especiais entram. Os fótons podem ser distinguidos por sua cor (comprimento de onda), quão pura é essa cor (ou mais tecnicamente, coerência), a orientação de seu campo elétrico oscilante (conhecido como polarização), sua forma espacial e seu tempo de chegada. De fato, criar fótons idênticos tem sido, historicamente, tão difícil que configurações de laboratório e alunos de pós-graduação foram sacrificados para sua criação.

Mas esses eram dispositivos isolados que, por sua construção, não podiam fazer nada além de gerar pares de fótons idênticos. Dois dispositivos independentes poderiam emitir fótons únicos idênticos entre si?

O desenvolvimento de pontos quânticos tornou isso possível. Pontos quânticos são o que o rótulo da caixa diz: minúsculos pontos de material que produzem comportamento quântico confinando um único elétron. O confinamento restringe os elétrons a energias específicas; quando o elétron se livra da energia, o faz emitindo um fóton.

Os cientistas de materiais descobriram como fazer esses pontos para que eles sejam quase idênticos, o que significa que a cor do fóton emitido é a mesma. Também sabemos como colocá-los em um ambiente que os estimule a ter a mesma pureza, forma espacial e polarização. Experimentos revelaram que dois pontos quânticos podem, de fato, emitir fótons idênticos.

No entanto, isso ainda não é suficiente. Nós basicamente fizemos duas cópias do mesmo dispositivo e controlamos cuidadosamente o ambiente para garantir que eles produziriam fótons idênticos naturalmente. Mas e sobre algo além do nosso controle, como o Sol?

Cortando fótons idênticos de um rebanho misto

Isso é exatamente o que uma equipe de pesquisadores testou. Eles usaram um dispositivo de rastreamento para capturar continuamente a luz do sol. Essa luz foi filtrada para garantir que apenas os fótons com a cor, a pureza, a forma espacial e a polarização corretas fossem salvas. Estes foram então enviados para um espelho parcialmente refletivo junto com a luz de um ponto quântico.

Mas o tempo também é crítico, pois o experimento exige que apenas um único fóton do Sol atinja o espelho parcialmente refletivo ao mesmo tempo em que o fóton do ponto quântico chega. O Sol emite fótons em momentos aleatórios, mas há muitos deles que há sempre mais do que um disponível, enquanto um ponto quântico só emite um fóton a cada 10ns ou mais.

Para eliminar o obstáculo temporal, os pesquisadores descartam os fótons do Sol até que a taxa média de fótons seja aproximadamente a mesma que a do ponto quântico. Em seguida, os detectores foram ligados apenas em intervalos de tempo específicos, efetivamente escolhendo apenas para detectar fótons que chegam junto com o fóton do ponto quântico.

Sob essas condições, o resultado era exatamente o previsto para fótons indistinguíveis. Bem, quase. O ponto quântico não é perfeito, então às vezes ele emite dois fótons em vez de um. E o fluxo de fótons do Sol também terá ocasionalmente dois fótons, o que significa que os pesquisadores não veem interferência perfeita.

Mas é bem perto. Na verdade, seus resultados foram tão bons que foram um passo adiante, mostrando que eles poderiam emaranhar fótons do Sol com fótons de um ponto quântico.

Em um nível, isso é bastante comum: a mecânica quântica prevê que os fótons idênticos se comportarão de determinada maneira. Esta experiência efetivamente leva os inúmeros fótons do Sol e seleciona apenas aqueles que são idênticos aos fótons do ponto quântico. Nós não esperamos nenhum outro resultado.

Em outro nível, isso ainda é incrível. Pensar que agora temos a tecnologia para pegar qualquer lâmpada antiga e transformá-la em um recurso quântico é incrível. Os pesquisadores também afirmam que as propriedades quânticas de fótons individuais do Sol podem ser usadas para lançar luz sobre os processos solares, como o comportamento do campo magnético. Isso pode ser mais interessante do que qualquer aplicação tecnológica.

Physical Review Letters, 2019, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.080401 (Sobre o DOIs)

Fonte: Ars Technica