Ottica quantistica "a microonde"

Quantum optics with microwaves

Nell’immagine un “forno a microonde” fabbricato ad hoc: questo chip millimetrico contiene due sorgenti a microonde (in verde) in grado di produrre singoli fotoni. La struttura in rosso funziona come un separatore di fasci. (Credit: Andreas Wallraff/ETH Zurigo).

ZURIGO – I fisici del Politecnico federale di Zurigo (ETF) hanno dimostrato uno degli effetti dell’ottica quantistica, noto come effetto di Hong-Ou-Mandel, ad una frequenza di 100.000 volte inferiore a quella della luce visibile. L’esperimento, descritto in Nature Physics, potrebbe portare a nuove applicazioni tecnologiche.

In fisica quantistica sono molti i fenomeni che sfidano la nostra intuizione. Un buon esempio è l’effetto Hong-Ou-Mandel, che si verifica quando due quanti di luce (o fotoni) arrivano simultaneamente in un beam splitter. Come suggerisce il nome, un divisore di fascio è un dispositivo che divide in due un fascio di luce, trasmettendo una prima metà della luce che lo urta e riflettendo l’altra metà. Per un singolo quanto di luce questo significa che ha una probabilità del 50% di comparire su entrambi i lati del dispositivo. Ma quando i due fotoni arrivano nello stesso momento al beam splitter, accade qualcosa di inaspettato: I fotoni emergono sempre in coppia sullo stesso lato del divisore di fascio. Non capita mai che i due fotoni si separino e raggiungano lati diversi.

Questo effetto è stato dimostrato per la prima volta nel 1987 da K. Chung Hong, Zhe-Yu Ou e Leonard Mandel utilizzando la luce laser. L’esperimento è stato ripetuto molte volte, ma in tutti questi esperimenti si usavano fotoni nella gamma ottica (che è la gamma di frequenza della luce visibile). Andreas Wallraff, professore del Dipartimento di Fisica dell’ETF, ha dimostrato per la prima volta che l’effetto di Hong-Ou-Mandel vale anche per la radiazione a microonde, a frequenze intorno a 100.000 volte inferiori a quelli di un tipico laser. Anche se non vi è alcuna ragione fondamentale di credere che in fisica quantistica vi sia una distinzione tra “fotoni a microonde” e “fotoni ottici”, questa equivalenza pone questa relazione sul piano sperimentale. Il vantaggio è questo: la frequenza più bassa dei fotoni a microonde permette di conoscere in modo più completo le sorgenti di radiazioni di quanto non sia stato possibile con i fotoni ottici. Il nuovo esperimento evidenzia come gli effetti ottici quantistici possono essere sfruttati in esperimenti con sorgenti a microonde, che possono portare ad applicazioni pratiche nell’ ” ottica a microonde”.

L’ottica a microonde. Andreas Wallraff e il suo team di ricercatori hanno usato microonde ad una frequenza paragonabile a quella di un comune forno a microonde. La fonte di radiazioni, tuttavia, non avrebbe potuto essere più diversa da un dispositivo domestico. Gli scienziati hanno usato a questo scopo microfabbricati: “siamo in grado di generare singoli fotoni a microonde ogni volta che ne abbiamo bisogno”, ha detto Christopher Eichler, scienziato del team di Andreas Wallraff. Cosa che non è facilmente ottenibile con sorgenti di singoli fotoni in regime ottico. Considerando che un laser può essere facilmente attivato e disattivato, sorgenti ottiche di singoli tipicamente coinvolgono tipicamente processi complessi che, ovviamente, sono molto più difficili da controllare. Le fonti a microonde hanno anche il vantaggio di avere frequenze che possono essere sintonizzate con precisione, in modo che due dispositivi indipendenti producano fotoni alla stessa frequenza (prerequisito indispensabile per osservare l’effetto di Hong-Ou-Mandel).

L’esperimento dimostra il comportamento non intuitivo previsto dalla teoria: ogni volta che due fotoni raggiungono il divisore di fascio, esibiscono un comportamento a coppie. Ma l’esperimento è più di una semplice replica di quanto si può fare a frequenze ottiche. “Poiché la frequenza della radiazione a microonde è molto inferiore a quella della luce visibile, siamo stati in grado di caratterizzare completamente l’effetto in tutte le sue sfaccettature. Ad esempio, possiamo variare il grado di distinguibilità di due fotoni in modo da controllare l’aspetto e la scomparsa dell’effetto”, ha spiegato Christian Lang, un dottorando di Andreas Wallraff.

Si tratta senza dubbio della caratterizzazione più completa dell’effetto di Hong-Ou-Mandel fino ad ora sperimentato, che fornisce agli studiosi uno strumento analitico per studiare la radiazione a microonde in regime quantistico. Al di là di questi aspetti più fondamentali, le scoperte dei fisici dell’ETH possono aprire nuove prospettive per generare e manipolare fasci di fotoni: nel lungo periodo, questo metodo potrà portare a nuove forme di comunicazione quantistica e informazione quantistica.

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