Na interferometria de múltiplos fótons, dois ou mais fótons se propagam através de múltiplos caminhos possíveis e são subsequentemente detectados. As estatísticas de detecção resultantes são determinadas por amplitudes de probabilidade quântico-mecânicas: todos os caminhos possíveis de múltiplos fótons devem ser somados coerentemente, e sua interferência produz padrões característicos. Esses padrões de interferência revelam assinaturas de efeitos quânticos.

A interferência de múltiplos fótons é uma marca da não classicidade óptica, pois fornece uma sonda direta das propriedades quânticas únicas da luz. O comportamento quântico dos fótons não pode ser entendido meramente pela atenuação de um campo eletromagnético clássico até o nível de fóton único; experimentos mostraram que tais estados clássicos atenuados reproduzem previsões clássicas sem revelar características genuinamente não clássicas. Para acessar fenômenos verdadeiramente quânticos, deve-se trabalhar com fontes de luz que possuem estatísticas de fótons intrinsecamente não clássicas. A interferência de múltiplos fótons é uma dessas maneiras de investigar características não clássicas da luz.

A interferência de três fótons é prevista para exibir correlações que envolvem todos os três fótons simultaneamente e não podem ser reduzidas a qualquer combinação de correlações de pares (dois fótons). O aparecimento de tais correlações de três fótons irredutíveis é considerado uma assinatura definidora da interferência genuína de três partículas. Experimentos de interferometria de múltiplos fótons foram amplamente limitados a efeitos de interferência de dois fótons. Em 2017, dois experimentos foram conduzidos mostrando efeitos genuínos de interferência de três fótons.

História A natureza da luz sempre escapou à humanidade, desde a afirmação de Isaac Newton de que a luz é composta de partículas, até a teoria ondulatória de Christiaan Huygens confirmada pelo experimento de dupla fenda de Thomas Young e a teoria do eletromagnetismo de James Clerk Maxwell, finalmente terminando com a imagem quântica da luz, proposta pela primeira vez por Albert Einstein para explicar o efeito fotoelétrico em 1905. Com o advento da mecânica quântica em 1925, o trabalho de Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie, Werner Heisenberg contribuiu para a compreensão de fenômenos quânticos como a dualidade onda-partícula, superposição quântica e emaranhamento. Em 1927, Dirac propôs a teoria da eletrodinâmica quântica, onde os fótons são considerados excitações do campo eletromagnético e interagem com cargas. Esses avanços estabeleceram as bases para uma descrição quântica dos fótons. No entanto, a questão mais profunda do que distingue a luz genuinamente não clássica dos campos eletromagnéticos clássicos foi resolvida apenas muito mais tarde, com o advento da óptica quântica.

A óptica quântica moderna nasceu com o experimento de Hanbury Brown e Twiss em 1956, que estudou correlações de flutuação de intensidade levando à compreensão do aglomeramento de fótons. Roy Glauber introduziu sua teoria da óptica quântica para procurar fenômenos ópticos quânticos genuínos em 1963. Mais alguns experimentos ópticos quânticos notáveis são os experimentos de Bell (1982) provando a não localidade, o Efeito Hong–Ou–Mandel mostrando a interferência decorrente da indistinguibilidade dos fótons (1987), a interferometria de Franson (1989) explorando o emaranhamento tempo-energia e a não localidade. Esses experimentos foram realizados com um ou dois fótons.

Em 1989, Daniel Greenberger, Michael Horne e Anton Zeilinger (GHZ) propuseram pela primeira vez um experimento de interferência de três fótons, que é uma extensão dos experimentos EPR, e previram um efeito quântico interferométrico de três fótons, distinto dos casos de dois fótons. Recentemente, a interferometria GHZ foi realizada experimentalmente em 2017. Outro aspecto da interferência quântica de múltiplos fótons foi realizado recentemente em um experimento ao mesmo tempo. Esta é uma generalização do efeito Hong–Ou–Mandel, a interferência devido à indistinguibilidade dos fótons - para três fótons.

Experimento de Agne O experimento realizado por Agne et al. demonstra um efeito de interferência de três fótons do tipo GHZ. Na interferometria GHZ, prepara-se um estado emaranhado de Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) de três fótons, no qual todos os fótons ocupam coerentemente um de dois caminhos possíveis. Um deslocamento de fase controlável é aplicado a um desses caminhos. Os três fótons são então detectados em coincidência, e a taxa de tripla coincidência varia sinusoidalmente com a fase aplicada, produzindo um padrão de interferência característico. É importante ressaltar que este interferômetro de três fótons isola a interferência genuína de três fótons: ele não exibe correlações de dois fótons, tornando a modulação observada uma assinatura direta da coerência tripartite quântica. thumb|Diagrama Esquemático do Interferômetro de Franson do Tipo GHZ de Três Fótons O experimento é implementado usando uma fonte de tripleto de fótons combinada com um interferômetro de Franson generalizado para obter estados emaranhados via pós-seleção. Os três fótons produzidos pela fonte de tripleto são enviados através de um interferômetro desbalanceado, consistindo em um braço curto S e um braço longo L que introduz um deslocamento de fase controlável . Ao pós-selecionar coincidências de três fótons usando detectores A ou B, pode-se obter estados emaranhados de três fótons. Por exemplo, se três fótons são detectados simultaneamente nos detectores, todos eles devem ter tomado o caminho curto S1S2S3, ou o caminho mais longo L1L2L3. O estado pós-selecionado é, portanto, uma superposição coerente dessas duas configurações de caminho. thumb|Padrão qualitativo de coincidências de dois e três fótons em função da fase Como cada fóton adquire um deslocamento de fase ao longo do caminho longo do interferômetro, a probabilidade de coincidência de três fótons depende da soma desses deslocamentos de fase. A probabilidade de coincidência de três fótons resultante é onde . O sinal depende do padrão específico de tripla detecção: o sinal de menos corresponde ao conjunto de resultados "AAA" e o sinal de mais corresponde ao conjunto "BBB". Esses conjuntos agrupam as combinações possíveis de detectores que produzem coincidências de três fótons: AAA = {A1A2A3, A1B2B3, B1A2B3, B1B2A3} e BBB = {B1B2B3, A1A2B3, B1A2A3, A1B2A3}.

Notavelmente, enquanto a taxa de tripla coincidência depende sinusoidalmente da fase total , todas as taxas de coincidência de fóton único e de dois fótons permanecem constantes e não mostram dependência de fase. Essa invariância indica que apenas as amplitudes de três fótons interferem, fornecendo uma assinatura clara da interferência genuína de três fótons. Agne et al. verificaram experimentalmente esse comportamento: as taxas de coincidência de três fótons exibem modulação sinusoidal em função da fase total, enquanto as coincidências de dois fótons e detecções de fóton único não mostram variação mensurável.

Experimento de Menssen Menssen et al. investigaram a interferência de três fótons de uma perspectiva diferente — nomeadamente, a interferência decorrente da indistinguibilidade dos fótons. Seu experimento estende o bem conhecido efeito Hong–Ou–Mandel (HOM) para o caso de três fótons. No efeito HOM padrão, a taxa de coincidência de dois fótons cai para zero quando os fótons chegam simultaneamente a um divisor de feixe, ou seja, quando são perfeitamente indistinguíveis. A indistinguibilidade resulta em uma superposição coerente de todos os caminhos possíveis através do divisor de feixe, e a interferência entre essas amplitudes elimina a probabilidade de observar uma coincidência de dois fótons. Quando os fótons não se sobrepõem perfeitamente no tempo, eles se tornam parcialmente distinguíveis, e a interferência destrutiva é incompleta — resultando na dip de HOM característica. thumb|A "dip de HOM" de contagens de coincidência nos detectores versus atraso relativo entre pacotes de onda de fóton único. No experimento de Menssen et al., foi mostrado que para três fótons, a taxa de coincidência exibe um efeito de interferência análogo à dip de HOM, decorrente da distinguibilidade parcial. No entanto, ao contrário do caso de dois fótons, o padrão de interferência resultante depende de uma quantidade unicamente de três fótons conhecida como fase tríade, que não tem análogo na interferência HOM padrão. Além disso, na mesma configuração experimental, todas as coincidências de dois fótons permanecem planas e não mostram interferência. Esta ausência de interferência de ordem inferior, combinada com a dependência da fase tríade do sinal de três fótons, fornece uma assinatura clara de interferência genuinamente tripartite.

Para conseguir isso, Menssen et al. utilizaram modos temporais e de polarização dos fótons. Em seu esquema, os fótons podem chegar com sobreposição temporal perfeita, mas ainda assim permanecer distinguíveis através de seus graus de liberdade de polarização. Os estados iniciais de fóton único são preparados como

onde denota um atraso temporal controlável para a chegada do i-ésimo fóton, e o segundo fator representa um estado de polarização arbitrário expresso na base de polarização horizontal e vertical. Ao escolher apropriadamente , e , os fótons podem ser preparados em estados de polarização específicos e em tempos arbitrários.

Os três fótons são então enviados para um tritter, que é a generalização de três portas de um divisor de feixe balanceado. Um tritter mistura os três modos espaciais simetricamente e é descrito pela transformação unitária na base ,

.

Os fótons são então detectados, e a probabilidade de coincidência de três fótons é dada por

e a probabilidade de coincidência de dois fótons é

onde e . As diferenças de fase entre os três fótons somam-se a uma quantidade denominada fase tríade . A coincidência de três fótons tem dependência explícita da fase tríade, além da sobreposição temporal. No entanto, a coincidência de dois fótons é independente da fase tríade. thumb|Esquema da dip de HOM em função do atraso temporal para o caso de três fótons. O padrão depende da fase tríade, ao contrário do caso de dois fótons. Menssen et al. confirmaram experimentalmente o padrão de interferência tipo HOM para três fótons variando o atraso temporal relativo de dois fótons simetricamente em relação ao terceiro fóton, ou seja, e para dois valores diferentes da fase tríade, . À medida que o atraso temporal aumenta, os padrões de interferência diminuem devido à perda de indistinguibilidade, análogo ao efeito Hong–Ou–Mandel de dois fótons. Além disso, os padrões observados exibem uma dependência clara da fase tríade, destacando o caráter unicamente de três fótons da interferência. thumb|Esquema da coincidência de três fótons mostrando uma dependência da fase tríade, enquanto a coincidência de dois fótons permanece constante. Em um segundo experimento, Menssen et al. demonstraram que quando é mantido constante, a taxa de coincidência de três fótons varia sinusoidalmente em função da fase tríade , enquanto as taxas de coincidência de dois fótons permanecem constantes. Este comportamento fornece uma assinatura clara da interferência genuína de três fótons.

Ver também

Efeito Hong–Ou–Mandel Efeito Hanbury Brown e Twiss Experiências dos testes de Bell

Categoria:Mecânica quântica Categoria:Introduções da década de 2010