Diffusione simultanea di due fotoni da parte di un singolo atomo a due livelli

I partner del progetto DAALI, Jürgen Folz e Arno Rauschenbeutl del Dipartimento di fisica dell’Università Humboldt di Berlino, hanno fornito nuove conoscenze sul comportamento di diffusione della luce degli atomi fluorescenti che potrebbero avere applicazioni nelle comunicazioni quantistiche. Il gruppo di studio ha recentemente pubblicato i risultati sulla rivista Fotonica della natura.

Max Planck ipotizzò nel 1900 che la luce potesse scambiare solo determinati “pacchetti di energia”, o quanti, con la materia, come un atomo, e non quantità arbitrarie di energia. Cinque anni dopo, Albert Einstein postulò che questi quanti fossero più di una semplice quantità utilizzata nei calcoli e che la luce stessa fosse composta da quanti, o quelli che oggi vengono chiamati fotoni.

Attualmente sono infatti disponibili fotodiodi abbastanza sensibili da registrare un singolo fotone. L’illuminazione continua produce una successione di brevi impulsi di corrente anziché un segnale elettrico costante. Pertanto per ogni impulso di corrente viene rilevato un fotone.

Sotto la lente d’ingrandimento: diffusione della luce laser

Non un singolo fotone alla volta verrà riconosciuto da questo fotodiodo altamente sensibile quando stimolato a brillare da un raggio laser. Poiché i fotoni si presentano simultaneamente nella luce laser, la luce fluorescente emessa da un singolo atomo non è la stessa luce laser che lo eccita sotto questo aspetto.

Tuttavia, se un singolo atomo fosse colpito da due fotoni laser nello stesso istante, assorbirebbe solo uno dei fotoni e consentirebbe il passaggio dell’altro. L’atomo non sarà pronto a ricevere un altro fotone laser finché non emetterà il fotone assorbito in una direzione casuale.

In altre parole, un singolo atomo può diffondere solo un fotone alla volta, e i fotoni nella luce fluorescente di un singolo atomo influenzano il rilevatore come se fossero perle infilate in un filo. Questa funzionalità viene utilizzata nel progetto DAALI e in altri studi sulla tecnologia quantistica. Nelle comunicazioni quantistiche, ad esempio, i singoli fotoni generati da atomi naturali o artificiali vengono utilizzati per il trasporto resistente ai clic.

Attraverso il filtro: i singoli fotoni diventano coppie

Tuttavia, i ricercatori dell’Università Humboldt hanno ora dimostrato un effetto notevole utilizzando la luce fluorescente proveniente da un singolo atomo. Quando i ricercatori hanno utilizzato un filtro per rimuovere una specifica componente di colore dalla luce, il singolo flusso di fotoni è stato trasformato in coppie di fotoni che sono state rilevate simultaneamente.

Pertanto, dal flusso di singoli fotoni, vengono rimossi i fotoni appropriati e i fotoni rimanenti appaiono come coppie. L’impressione del mondo reale e questo effetto sono incompatibili; Ad esempio, se tutte le auto verdi venissero rimosse dalla strada, le auto rimanenti non inizierebbero a circolare in coppia una accanto all’altra.

Inoltre, la precedente affermazione secondo cui un singolo atomo può diffondere solo un fotone alla volta è stata confutata: un atomo può diffondere due fotoni contemporaneamente se osservato attraverso un opportuno filtro colorato.

Nel loro lavoro teorico sulla diffusione della luce da parte degli atomi presso l’ENS di Parigi, Jean Dalibard e Serge Renaud avevano previsto questo effetto circa quarant’anni fa. Ma questo è stato dimostrato solo sperimentalmente dal gruppo guidato dai fisici quantistici Rauschenbutel e Fols.

Questo è un ottimo esempio di come falliamo intuitivamente quando cerchiamo di avere un’idea di come si verificano i processi a livello microscopico.

Jürgen Folz, Professore assistente, Dipartimento di Fisica, Università Humboldt di Berlino

Rauschenbüttel ha aggiunto:Si tratta però di molto più che una semplice curiosità. In effetti, le coppie di fotoni generate sono entangled in modo quantomeccanico. Esiste quindi l’azione spettrale a distanza tra i due fotoni a cui Einstein non ha voluto credere e grazie alla quale si possono trasmettere istantaneamente stati quantistici, ad esempio“.

Folz e Raushentashen hanno dichiarato: “Che un singolo atomo sia ideale come fonte di coppie di fotoni entangled è qualcosa che nessuno avrebbe creduto fino a poco tempo fa.“

L’effetto dimostrato rende possibile ottenere sorgenti di coppie di fotoni entangled più luminose delle sorgenti esistenti, fino al massimo teorico. Inoltre le coppie di fotoni corrispondono intrinsecamente agli atomi da cui hanno origine. Ciò consente la comunicazione diretta fotone-quantistica con porte o ripetitori quantistici, che condividono gli stessi atomi e sono essenziali per la comunicazione quantistica a lungo raggio.

Riferimento alla rivista:

Maestri, L., et al. (2023) Sulla diffusione simultanea di due fotoni da parte di un singolo atomo a due livelli. Fotonica della natura. doi:10.1038/s41566-023-01260-7

fonte: https://www.icfo.eu/