A probabilidade de encontrar um certo número de fótons dentro de um pulso de laser geralmente corresponde a uma distribuição clássica de eventos independentes, a chamada distribuição de Poisson. Existem, Contudo, fontes de luz com distribuições não clássicas de número de fótons que só podem ser descritas pelas leis da mecânica quântica. Um exemplo bem conhecido é a fonte de fóton único que pode encontrar aplicação na criptografia quântica para distribuição de chaves secretas ou em redes quânticas para conectar memórias quânticas e processadores. Contudo, para muitas aplicações em pulsos de luz de óptica quântica não linear com um certo número fixo de fótons, por exemplo. dois, três ou quatro, são altamente desejáveis. Uma equipe de cientistas da Divisão de Dinâmica Quântica do Professor Gerhard Rempe no Instituto Max Planck de Óptica Quântica (Garching perto de Munique) conseguiu dar os primeiros passos nessa direção. Usando um sistema de cavidade de átomo fortemente acoplado, foram os primeiros a observar o chamado bloqueio de dois fótons:o sistema emite no máximo dois fótons ao mesmo tempo, pois sua capacidade de armazenamento é limitada a esse número ( PRL , 31 de março de 2017).

Uma abordagem ingênua para gerar um fluxo de fótons únicos seria atenuar suficientemente a intensidade de um feixe de laser. Mas, neste caso, o número de fótons ainda varia de pulso para pulso, e somente ao calcular a média de muitos pulsos um número médio de fótons de um é observado. Em vez disso, os aplicativos requerem um número fixo de exatamente um fóton por pulso. As flutuações do número de fótons por pulso podem ser fortemente reduzidas usando um único átomo como fonte de um único fóton. Quando o átomo é iluminado por um feixe de laser, pode absorver apenas um fóton de cada vez, fazendo assim uma transição do estado fundamental para um estado excitado. Um segundo fóton só pode ser absorvido depois que o átomo volta ao estado fundamental, emitindo um fóton. Portanto, não mais do que um fóton é detectado no campo de luz emitido ao mesmo tempo, um efeito conhecido como "bloqueio de fóton único".

Para estender este princípio a um "bloqueio de dois fótons", é preciso ir além de um único átomo e procurar um sistema que possa armazenar mais de um fóton, mas não mais do que dois. Para este fim, os físicos do MPQ combinam o átomo único com uma cavidade que fornece capacidades de armazenamento adicionais. Uma cavidade pode absorver um número ilimitado de fótons e exibe um número correspondentemente grande de estados de energia que se encontram - semelhante a uma "escada" - exatamente na mesma distância um do outro. A inserção de um único átomo na cavidade introduz um elemento não linear. Isso faz com que os níveis de energia sejam divididos em uma quantidade diferente para cada um dos 'degraus da escada'. Portanto, a luz laser pode excitar o sistema apenas até o nível para o qual ele está sintonizado. O número de fótons que podem ser armazenados é, portanto, limitado a um certo número, e portanto, não mais fótons do que podem ser emitidos.

No experimento, os físicos mantêm um único átomo de rubídio em uma armadilha óptica dentro de uma cavidade feita de dois espelhos de alta precisão. A frequência do feixe de laser de entrada é ajustada para um nível de energia que requer a absorção de dois fótons para sua excitação. Durante os cinco segundos do tempo de armazenamento do átomo, cerca de 5000 ciclos de medição são realizados, durante o qual o sistema é irradiado por um laser de sonda e a emissão da cavidade é registrada por meio de detectores de fóton único. "Interessantemente, as flutuações no número de fótons emitidos dependem fortemente de excitarmos a cavidade ou o átomo, "destaca a líder do projeto, Dra. Tatjana Wilk." O efeito de que a absorção de dois fótons suprime a absorção posterior, levando à emissão de dois ou menos fótons, só é alcançado em caso de excitação atômica. Este efeito quântico não aparece quando excitamos a cavidade. Nesse caso, observamos um sinal intensificado de três ou mais fótons por pulso de luz. "

Christoph Hamsen, candidato a doutorado no experimento, explica os processos subjacentes:"Quando o átomo está excitado, estamos lidando com a interação entre dois mecanismos conflitantes. Por um lado, o átomo pode absorver apenas um fóton por vez. Por outro lado, o sistema átomo-cavidade fortemente acoplado é ressonante com uma transição de dois fótons. Essa interação leva a uma sequência de vantagens de luz com uma distribuição de fótons não clássica. "E Nicolas Tolazzi, outro candidato a doutorado, acrescenta:"Pudemos observar esse comportamento em correlações entre fótons detectados, onde a coincidência de três fótons foi significativamente suprimida em comparação com a expectativa para o caso clássico."

O Prof. Gerhard Rempe apresenta uma visão geral das possíveis extensões do experimento:"No momento, nosso sistema emite pulsos de luz com dois fótons no máximo, mas também pulsa com menos, um ou mesmo zero, fótons. Ele atua como uma espécie de 'passe baixo'. Existem, Contudo, uma série de aplicações para comunicação quântica e processamento de informações quânticas, onde exatamente dois, três ou quatro fótons são necessários. Nosso objetivo final é a geração de estados puros onde cada pulso de luz contém exatamente o mesmo número desejado de fótons. O bloqueio de dois fótons demonstrado em nosso experimento é o primeiro passo nessa direção. ”Olivia Meyer-Streng