Os menores pedaços da natureza - partículas individuais como elétrons, por exemplo - são praticamente intercambiáveis. Um elétron é um elétron é um elétron, independentemente de estar preso em um laboratório na Terra, ligado a um átomo em alguma poeira lunar calcária ou disparado de um buraco negro extragaláctico em um jato superaquecido. Na prática, no entanto, diferenças de energia, o movimento ou a localização podem facilitar a distinção entre dois elétrons.

Uma maneira de testar a similaridade de partículas como elétrons é juntá-los ao mesmo tempo e lugar e procurar interferência - um efeito quântico que surge quando as partículas (que também podem se comportar como ondas) se encontram. Essa interferência é importante para tudo, desde testes fundamentais da física quântica até os cálculos rápidos de computadores quânticos, mas criá-lo requer controle requintado sobre partículas que são indistinguíveis.

Visando facilitar esses requisitos, pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) e do Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) estenderam vários fótons - as partículas quânticas de luz - e transformaram três pulsos distintos em ondas quânticas sobrepostas. O trabalho, que foi publicado recentemente no jornal Cartas de revisão física , restaura a interferência entre os fótons e pode, eventualmente, permitir uma demonstração de um tipo particular de supremacia quântica - uma vantagem de velocidade clara para computadores que funcionam nas regras da física quântica.

"Embora os fótons não interajam diretamente uns com os outros, quando se encontram, podem exibir uma característica puramente quântica ausente do clássico, ondas não quânticas, "diz o companheiro JQI Mohammad Hafezi, co-autor do artigo e professor associado de física e engenharia elétrica e da computação na Universidade de Maryland.

Nos dias de hoje, testar a semelhança dos fótons é rotina. Envolve colocá-los juntos em um dispositivo chamado divisor de feixe e medir a luz que sai do outro lado.

Quando um único fóton atinge um divisor de feixe equilibrado, há 50 por cento de chance de que ele se desloque direto e 50 por cento de chance de que reflita em um ângulo. Ao colocar detectores nesses dois caminhos possíveis, os cientistas podem medir para que lado os fótons individuais acabam indo.

Se dois fótons idênticos se encontram no divisor de feixe, com um viajando para o leste e o outro para o norte, é tentador aplicar o mesmo tratamento a cada partícula individualmente. É verdade que ambos os fótons têm a mesma chance de viajar ou refletir, mas porque os fótons são indistinguíveis, é impossível dizer qual vai para onde.

O resultado dessa confusão de identidade é que duas das combinações possíveis - aquelas em que ambos os fótons viajam direto através do divisor de feixe e ambos os fótons refletem - se cancelam, deixando para trás um resultado quântico distinto:os fótons se agrupam e viajam como um par, sempre terminando em um dos dois detectores juntos.

Agora Hafezi e seus colegas da UMD e da Universidade de Portsmouth observaram um efeito de interferência semelhante com fótons distinguíveis - pulsos de luz de apenas dois picossegundos (um picossegundo é um trilionésimo de segundo) separados por dezenas de picossegundos. O truque essencial era encontrar uma maneira de tornar os pulsos menos distinguíveis para que pudessem interferir.

"Usamos um único elemento óptico que é basicamente uma fibra, "diz Sunil Mittal, um pesquisador de pós-doutorado no JQI e um co-autor do novo artigo. “Ele emula o equivalente a cerca de 150 quilômetros de fibra, que estica os fótons. Ele age um pouco como uma lente ao contrário, fazendo com que diferentes frequências nos pulsos se dispersem e desfocalizem. "

Ao alongar cada fóton por um fator de cerca de 1000, os pesquisadores poderiam efetivamente apagar o atraso de tempo entre os pulsos e criar grandes seções de sobreposição. Essa sobreposição tornou mais provável que os fótons chegassem aos detectores ao mesmo tempo e interferissem uns nos outros.

Experimentos anteriores (incluindo JQI e QuICS Fellow Christopher Monroe e colaboradores) interferiram com sucesso fótons distinguíveis, mas esses resultados exigiam vários canais para a luz que entrava - um para cada fóton. O novo trabalho usa apenas um único canal que transporta luz em frequências padrão de telecomunicações, que os autores dizem que permite que seu sistema seja facilmente escalado para incluir muito mais fótons.

Ter mais fótons permitiria aos pesquisadores estudar a amostragem de bósons, um problema computacional considerado muito difícil para computadores comuns (semelhante ao problema que dizem que o Google resolveu). Em sua forma padrão, a amostragem de bóson diz respeito aos fótons - que são membros de uma família de partículas chamadas bósons - que percorrem uma grande rede de divisores de feixe. Os fótons entram na rede por diferentes canais e saem para os detectores, com um detector por canal.

O "problema" de amostragem do bóson equivale a fazer um complicado lançamento de moeda, uma vez que cada experimento mostra a chance subjacente de que (digamos) três fótons entrando na rede nas portas 1, 2 e 5 terminarão nas saídas 2, 3 e 7. A interferência dentro da rede é complexa e impossível de rastrear com um computador normal - mesmo para um número modesto de fótons - e fica mais difícil quanto mais fótons você adiciona. Mas com fótons reais em uma rede real, o problema se resolveria.

"A conexão deste experimento com a amostragem de bóson é um grande exemplo de como a crescente sinergia entre a física quântica de muitos corpos e a teoria da complexidade computacional pode levar a um grande progresso em ambos os campos, "diz JQI e QuICS Fellow Alexey Gorshkov, professor associado adjunto de física da UMD e outro co-autor do artigo.

Mas até agora, experimentos de amostragem de bóson sofreram com o problema de escalabilidade:resolver o problema para mais fótons significava adicionar mais canais, o que significava ocupar mais espaço e cronometrar a chegada de ainda mais fótons para garantir sua interferência. Mittal diz que sua técnica potencialmente resolve esses dois problemas.

"Em nosso sistema, as entradas não precisam estar em fibras diferentes, "Mittal diz." Todos os fótons podem viajar em uma única fibra e as diferenças de tempo podem ser apagadas pelo mesmo método que já demonstramos. "Outro dispositivo de prateleira poderia imitar a rede de divisores de feixe, com o benefício adicional de permitir uma fácil reconfiguração, Mittal diz. "Não estamos fazendo amostragem de bóson agora, mas seria relativamente fácil ir nessa direção. "