Generalised quantum interference

Resumen Técnico: Interferencia Cuántica Generalizada

Problema y Contexto
El efecto Hong-Ou-Mandel (HOM) es una firma fundamental del comportamiento cuántico donde dos fotones indistinguibles que entran en un divisor de haz equilibrado desde diferentes puertos siempre salen juntos (agrupamiento o bunching), suprimiendo el resultado de coincidencia donde salen por separado. Si bien el efecto HOM estándar es una herramienta bien establecida para caracterizar la indistinguibilidad y las fuentes de fotones, representa solo un caso específico de interferencia cuántica de dos fotones. El trabajo teórico (Ref. [36]) sugiere que la óptica lineal permite una clase más amplia de efectos de interferencia "generalizada". En este marco, mediante la manipulación del estado de entrada y la transformación del divisor de haz, se puede ajustar la interferencia destructiva para suprimir no solo el término de coincidencia, sino uno de los dos términos de agrupación. Esto resultaría en un régimen de interferencia cuántica asimétrica donde los fotones pueden salir por separado o agruparse en un puerto, pero están prohibidos de agruparse en el otro.

Metodología
Los autores demuestran experimentalmente esta interferencia generalizada utilizando la unidad de procesamiento cuántico (QPU) fotónica integrada programable Ascella. El protocolo experimental consta de los siguientes pasos:

1. Preparación del Estado: Dos fotones individuales generados por una fuente de punto cuántico se interfieren primero en un divisor de haz equilibrado (50:50) para crear un estado HOM de agrupación estándar.
2. Generación de Desequilibrio: Se aplica una atenuación controlada a un brazo del interferómetro. Esto prepara un estado de entrada de dos fotones desequilibrado de la forma $a |2, 0\rangle + \sqrt{1-a^2} |0, 2\rangle$, donde el coeficiente $a$ está determinado por la transmisividad $\gamma$ de la atenuación.
3. Interferencia Variable: Este estado desequilibrado se dirige luego a un divisor de haz variable con reflectividad $R$ sintonizable.
4. Detección: Las tres posibles configuraciones de salida de dos fotones ($|2, 0\rangle$, $|1, 1\rangle$ y $|0, 2\rangle$) se resuelven mediante detección de pseudo-conteo de fotones (PPNR). Esto implica dividir cada brazo de salida en un divisor de haz equilibrado adicional y monitorear con pares de detectores de nanocables superconductores. Las coincidencias dentro de un solo brazo identifican eventos de agrupación, mientras que los clics en diferentes brazos identifican el resultado de coincidencia ($|1, 1\rangle$).

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio demuestra con éxito la remodelación continua de la distribución de salida de dos fotones mediante el ajuste del desequilibrio del estado de entrada ($\gamma$) y la reflectividad del divisor de haz ($R$).

• Punto de Interferencia Asimétrica: Los autores identificaron y realizaron las condiciones específicas para la interferencia cuántica asimétrica. Al establecer la atenuación en $\gamma \approx 0.7327$ (generando un coeficiente de desequilibrio $a \approx 0.966$) y la reflectividad del divisor de haz en $R \approx 78.9\%$, lograron un estado donde el término de agrupación $|0, 2\rangle$ se suprime destructivamente.
• Datos Experimentales: En este punto asimétrico, la probabilidad medida de la salida suprimida $|0, 2\rangle$ fue de $(1.9 \pm 0.8) \times 10^{-3}$. En contraste, las salidas restantes, $|2, 0\rangle$ y $|1, 1\rangle$, ocurrieron con probabilidades casi iguales ($0.479 \pm 0.009$ y $0.519 \pm 0.009$, respectivamente). Esto representa una supresión de 250 veces del canal prohibido en comparación con los canales permitidos.
• Comportamiento Generalizado: Al escanear $R$ a través de un rango para tres configuraciones diferentes de atenuación, los autores mostraron que las probabilidades de salida evolucionan continuamente, coincidiendo con las predicciones teóricas para la interferencia generalizada. Los resultados se desvían significativamente de las predicciones basadas en un modelo de partículas decoherentes (clásicas), confirmando la naturaleza cuántica del efecto.
• Discrepancias: Las desviaciones menores entre las probabilidades medidas y las teóricas se atribuyeron a la indistinguibilidad finita de los fotones, errores de calibración en el circuito programado y ruido de fondo, particularmente en reflectividades altas.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar la primera demostración experimental de la interferencia cuántica generalizada en un procesador fotónico integrado programable. La principal significancia radica en expandir la comprensión del efecto HOM de un fenómeno único y fijo a una familia de efectos de interferencia sintonizables accesibles mediante óptica lineal.

Los autores afirman que este trabajo sitúa el efecto HOM estándar dentro de un contexto más amplio de la interferencia cuántica de dos fotones. Sugieren que la capacidad de suprimir un canal de salida seleccionado de manera controlada podría ser útil para la preparación de estados de número de fotones entrelazados con óptica lineal. El estudio confirma que, al variar el desequilibrio del estado de entrada y los parámetros del divisor de haz, se pueden acceder a estados arbitrarios de dos fotones y dos modos, siendo el punto asimétrico un caso límite donde un canal de agrupación específico está prohibido.