Desde o início da física quântica, cem anos atrás, sabe-se que todas as partículas do universo se enquadram em duas categorias:férmions e bósons. Por exemplo, os prótons encontrados nos núcleos atômicos são férmions, enquanto os bósons incluem fótons, que são partículas de luz, bem como o bóson de BroutEnglert-Higgs, para o qual François Englert, um professor da ULB, recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2013.

Os bósons - especialmente os fótons - têm uma tendência natural de se agrupar. Um dos experimentos mais notáveis ​​que demonstraram a tendência dos fótons de se aglutinarem foi conduzido em 1987, quando três físicos identificaram um efeito que desde então recebeu o nome deles:o efeito Hong-Ou-Mandel. Se dois fótons forem enviados simultaneamente, cada um em direção a um lado diferente de um divisor de feixe - uma espécie de espelho semitransparente -, pode-se esperar que cada fóton seja refletido ou transmitido.

Logicamente, fótons às vezes devem ser detectados em lados opostos deste espelho, o que aconteceria se ambos fossem refletidos ou se ambos fossem transmitidos. Contudo, o experimento mostrou que isso nunca realmente acontece:os dois fótons sempre acabam no mesmo lado do espelho, como se eles 'preferissem' ficar juntos. Em um artigo publicado recentemente em jornal norte-americano Proceedings of the National Academy of Sciences , Nicolas Cerf - professor do Centro de Informação e Comunicação Quântica (École polytechnique de Bruxelles) - e seu ex-doutorado. O estudante Michael Jabbour - agora um pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Cambridge - descreve como eles identificaram outra maneira pela qual os fótons manifestam sua tendência de permanecer juntos. Em vez de um espelho semitransparente, os pesquisadores usaram um amplificador óptico, chamado de componente ativo porque produz novos fótons. Eles foram capazes de demonstrar a existência de um efeito semelhante ao efeito Hong-Ou-Mandel, mas que, neste caso, captura uma nova forma de interferência quântica.

A física quântica nos diz que o efeito Hong-Ou-Mandel é uma consequência do fenômeno de interferência, juntamente com o fato de que ambos os fótons são absolutamente idênticos. Isso significa que é impossível distinguir a trajetória em que ambos os fótons foram refletidos do espelho, por um lado, e a trajetória em que ambos foram transmitidos através do espelho, por outro lado; é fundamentalmente impossível distinguir os fótons. A consequência notável disso é que ambas as trajetórias se anulam! Como resultado, os dois fótons nunca são observados nos dois lados opostos do espelho. Esta propriedade dos fótons é bastante elusiva:se fossem pequenas bolas, idêntico em todos os sentidos, ambas as trajetórias poderiam muito bem ser observadas. Como costuma acontecer, a física quântica está em desacordo com nossa intuição clássica.

Os dois pesquisadores da ULB e da Universidade de Cambridge demonstraram que a impossibilidade de diferenciar os fótons emitidos por um amplificador óptico produz um efeito que pode ser ainda mais surpreendente. Fundamentalmente, a interferência que ocorre em um espelho semitransparente decorre do fato de que, se imaginarmos alternar os dois fótons em ambos os lados do espelho, a configuração resultante é exatamente idêntica. Com um amplificador óptico, por outro lado, o efeito identificado por Cerf e Jabbour deve ser entendido olhando para as trocas de fótons, não através do espaço, mas com o tempo.

Quando dois fótons são enviados para um amplificador óptico, eles podem simplesmente passar sem serem afetados. Contudo, um amplificador óptico também pode produzir (ou destruir) um par de fótons gêmeos:então, outra possibilidade é que ambos os fótons sejam eliminados e um novo par seja criado. Em princípio, deve ser possível dizer qual cenário ocorreu com base em se os dois fótons que saem do amplificador óptico são idênticos aos que foram enviados. Se fosse possível distinguir os pares de fótons, então as trajetórias seriam diferentes e não haveria efeito quântico. Contudo, os pesquisadores descobriram que a impossibilidade fundamental de distinguir os fótons no tempo (em outras palavras, é impossível saber se eles foram substituídos dentro do amplificador óptico) elimina completamente a própria possibilidade de observar um par de fótons saindo do amplificador. Isso significa que os pesquisadores realmente identificaram um fenômeno de interferência quântica que ocorre ao longo do tempo. Esperançosamente, um experimento acabará por confirmar essa predição fascinante.