La indistinguibilidad de los átomos ilustrada con el efecto Hong–Ou–Mandel

Por Francisco R. Villatoro, el 3 abril, 2015. Categoría(s): Ciencia • Física • Mecánica Cuántica • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 1

Dibujo20150402 Schematic of the experiment - atomic hong ou mandel experiment- nature com

La mecánica cuántica no hace distingos. Si en un sistema físico dos bosones son indistinguibles, no importará si son fotones o átomos que se comportan como bosones, como los de helio-4. El efecto Hong–Ou–Mandel fue observado en 1987 con fotones e ilustra su indistinguibilidad. Se publica en Nature su observación, por primera vez, con átomos de helio-4. En principio, un resultado esperado. Sin embargo, abre la puerta a usar átomos en lugar de fotones en muchas aplicaciones de la información cuántica que hoy en día están restringidas a la óptica cuántica.

Nos lo cuenta Lindsay J. LeBlanc, “Quantum physics: Two-atom bunching,” Nature 520: 36-37, 02 Apr 2015, doi: 10.1038/520036a. El artículo es R. Lopes et al., “Atomic Hong–Ou–Mandel experiment,” Nature 520: 66-68, 02 Apr 2015, doi: 10.1038/nature14331arXiv:1501.03065 [quant-ph].

Dibujo20150402 boson - beam-splitter - one particle - nature com

Considera un divisor de haz (beam-splitter) con dos entradas y dos salidas. Un fotón que entre por una de las  entradas tiene una probabilidad del 50% de elegir cualquiera de las dos salidas (en un experimento, reflejarse o transmitirse). El experimento de Hong, Ou y Mandel (HOM) estudia qué pasa cuando dos fotones entran de forma simultánea por las dos entradas. En física clásica habría cuatro posibilidades todas con un 25% de probabilidad. Sin embargo, la indistinguibilidad de los fotones hace que sus caminos interfieran (la fase de sus funciones de onda cuánticas es opuesta) y en física cuántica sólo hay dos posibilidades equiprobables al 50%.

Dibujo20150402 boson - beam-splitter - two particles entering opposite paths - nature com

Este fenómeno refleja la naturaleza de los fotones como bosones y fue ilustrado en un experimento en 1987 por HOM usando fotones. El nuevo artículo de Lopes et al.  ilustra esta interferencia cuántica entre parejas de bosones idénticamente preparados usando átomos de helio-4, que se comportan como bosones. Por supuesto, cambiar fotones por átomos requiere grandes cambios en el esquema experimental. Lopes et al. usan el momento (la velocidad) de los átomos para ilustrar la interferencia. Los dos caminos de entrada y los dos de salida corresponden a dos velocidades diferentes (v1 y v2). Los átomos con velocidades v1 y v2 alcanzan una pantalla de detección (contador multipíxel de átomos) en los instantes t1 y t2, resp. El efecto HOM implica que ambos átomos prefieren salir con la misma velocidad, o ambos con v1, o ambos con v2.

Dibujo20150402 Velocity distribution of the twin atoms - atomic hom experiment - nature com

Los experimentos cuánticos nunca son perfectos, por lo que la distribución de los instantes de llegada presenta una forma más o menos gaussiana (ver figura) alrededor de los dos instantes de llegada. Sin embargo, según el HOM, se debe observar un déficit de átomos cuando el intervalo de tiempo entre la detección de los dos átomos es igual a t2 − t1, es decir, cuando ambos se han movido a la misma velocidad. Esta “anticorrelación” es la señal esperada en el experimento HOM.

HOM dip in the cross-correlation function - atomic hom experiment - nature com

En el experimento de Lopes et al. se espera que la anticorrelación característica del efecto HOM se observe para τ = t2 − t1 ≈ 500 μs. Esta figura ilustra el resultado experimental. El resultado medido, ajustado por una curva gaussiana, resulta ser τ = 550 ± 50 µs; la gaussiana de ajuste tiene una semianchura 150 ± 40 µs. Por tanto, se ha observado el efecto esperado a más de cinco sigmas, pero el resultado cuantitativo está a sólo una sigma (68% C.L.) de la predicción teórica. Futuros experimentos HOM con átomos reducirán esta incertidumbre estadística hasta alcanzar la calidad necesaria para su uso práctico en aplicaciones de información cuántica.

Coda final. Esta entrada participa en la edición LX (marzo-abril de 2015) del Carnaval de la Física cuyo blog anfitrión es ::ZTFNews. Recuerda, puedes participar hasta el 26 de abril de 2015. Si tienes un blog, ¡anímate!



1 Comentario

  1. Un experimento realmente fascinante. En mi opinión, la posibilidad de que abra las puertas a aplicaciones de información cuántica (me parece especulativo) queda ensombrecida ante la verificación experimental de lo extraña que es la estadística de partículas indistinguibles. Como bien dices “la mecánica cuántica no hace distingos” pero la diferencia con el clásico experimento de HOM con fotones al realizarse con átomos (partículas no elementales! con masa!) hace que éste sea un trabajo impactante y de enorme interés que debería revolvernos a todos los físicos cuánticos en nuestros asientos. Gracias Francis por dedicarle la entrada que merece!

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