Pesquisador discute novo tipo de efeito de interferência coletiva

Uma equipe liderada por Robert Keil e Tommaso Faleo, do Departamento de Física Experimental, investigou a relação entre emaranhamento e interferência em sistemas quânticos de mais de duas partículas em laboratório.

Junto com pesquisadores da Universidade de Freiburg, Alemanha, e da Universidade Heriot-Watt, Reino Unido, eles ganharam novos insights sobre o comportamento de sistemas quânticos multipartículas. Na entrevista, Tommaso Faleo explica como padrões de interferência de mais de dois fótons podem ser interpretados.

Seu grupo no Departamento de Física Experimental acaba de publicar um novo artigo de pesquisa no Avanços da Ciênciano qual você vincula os fascinantes fenômenos quânticos de entrelaçamento e interferência. Qual era o objetivo do seu trabalho?

Faleo: O objetivo da pesquisa era explorar e entender melhor a relação entre emaranhamento e interferência em sistemas envolvendo mais de duas partículas. A dinâmica de interferência em tais sistemas multipartículas é particularmente complexa, e a presença de emaranhamento introduz uma camada adicional de complexidade.

Nós nos concentramos em examinar como os padrões de interferência surgem quando algumas das partículas estão em um estado emaranhado e quais são suas características específicas.

Você poderia explicar brevemente o que significam emaranhamento e interferência?

O emaranhamento é um fenômeno puramente quântico no qual as propriedades de duas ou mais partículas se tornam interligadas, de modo que elas não podem mais ser descritas como entidades independentes, não importa quão distantes estejam. Esse aspecto fundamental da mecânica quântica intrigou os primeiros pesquisadores em física quântica e agora fundamenta várias aplicações em tecnologias quânticas.

Na física clássica, as ondas podem dar origem a padrões de interferência quando suas amplitudes se somam construtivamente (melhorando uma à outra) ou destrutivamente (anulando uma à outra). Isso é análogo à interferência na mecânica quântica, onde as amplitudes de probabilidade de diferentes resultados podem se combinar para aumentar ou diminuir a probabilidade de certos eventos.

A interferência de duas partículas adiciona outra camada a essa interferência quântica e surge da indistinguibilidade de partículas idênticas. Demonstrado pela primeira vez por Hong, Ou e Mandel em 1987, esse efeito é agora a chave para muitas tecnologias quânticas ópticas. A interferência multifóton é a extensão desse efeito para mais de duas partículas.

Você investigou padrões de interferência de mais de dois fótons. O que você viu no experimento?

Ao analisar sistemas com mais de duas partículas, os padrões de interferência se tornam significativamente mais complexos do que no experimento básico de Hong-Ou-Mandel. Observamos que esses padrões são influenciados não apenas pelos estados quânticos das partículas individuais, mas também pelo emaranhamento compartilhado entre algumas delas.

Em nosso cenário de interferência, o emaranhamento de partículas preenche a lacuna espacial entre interferômetros separados, introduzindo um padrão de interferência que depende do estado quântico geral de todas as partículas envolvidas e é inacessível quando uma ou mais partículas são excluídas da dinâmica.

Esses resultados fornecem novos insights sobre o comportamento de sistemas quânticos multipartículas e como seus estados influenciam os padrões de interferência.

Quais são as implicações das descobertas para pesquisas futuras?

Os resultados mostram um novo tipo de efeito de interferência coletiva que combina emaranhamento com a dinâmica altamente complexa de sistemas multipartículas. Isso contribui para nossa compreensão de como a mecânica quântica funciona em sistemas de muitos corpos, potencialmente levando a novos insights teóricos e desenvolvimentos em tecnologias quânticas.