Spatial correlations of photons interacting via transverse Rydberg blockade

La luce solitamente si comporta come un flusso di particelle indipendenti, che passano l'una attraverso l'altra senza un secondo pensiero. Per far sì che la luce interagisca con se stessa, gli scienziati cercano da tempo modi per costringere i fotoni a influenzarsi a vicenda, un traguardo che potrebbe rivoluzionare il modo in cui elaboriamo le informazioni e costruiamo computer quantistici. Uno dei modi più promettenti per ottenere questo consiste nel intrappolare la luce all'interno di una nuvola di atomi estremamente freddi. Quando questi atomi vengono eccitati a uno stato ad alta energia noto come stato di Rydberg, diventano enormi ed esercitano un'influenza potente sui loro vicini. Questa influenza crea un "blocco", una zona in cui la presenza di un atomo eccitato impedisce a qualsiasi altro atomo nelle vicinanze di eccitarsi allo stesso modo. In passato, i ricercatori hanno utilizzato con successo questo effetto per far interagire i fotoni, ma hanno guardato principalmente a queste interazioni lungo una singola linea, trattando il fascio di luce come se fosse un sottile filo. Questo approccio ha rivelato comportamenti ricchi nel tempo, ma ha lasciato in gran parte inesplorata la piena natura tridimensionale dell'interazione.

Un team di fisici ha ora ampliato questa visione, sviluppando una teoria che descrive come due fotoni interagiscano non solo lungo il loro percorso, ma anche attraverso la larghezza del fascio. Simulando il movimento dei fotoni attraverso una nuvola di atomi bidimensionale, i ricercatori hanno scoperto che le regole che governano il modo in cui queste particelle si evitano sono fondamentalmente diverse a seconda della direzione. Quando si osserva l'interazione lungo la direzione in cui viaggia la luce, i fotoni si comportano come se stessero diffondendosi, o espandendosi, a causa del modo in cui gli atomi rispondono alla luce. Tuttavia, quando si osserva l'interazione attraverso il fascio, i fotoni si comportano come onde luminose che subiscono la diffrazione attorno a un ostacolo, diffondendosi in un modello dettato dalla natura ondulatoria della luce stessa. Questa distinzione è cruciale perché significa che la "zona proibita" dove due fotoni non possono esistere simultaneamente è modellata da due diversi meccanismi fisici che lavorano contemporaneamente.

I ricercatori hanno modellato uno scenario in cui un raggio laser, con la forma di una curva a campana fluida, passa attraverso una nuvola di atomi che ha anch'essa la forma di una curva a campana. Hanno calcolato il comportamento di due fotoni mentre viaggiano attraverso questo mezzo, tracciando come la probabilità di trovarli insieme cambi sia nella direzione frontale che nella direzione laterale. I loro calcoli hanno mostrato che la regione in cui i fotoni sono bloccati dall'essere vicini tra loro non è un cerchio perfetto. Invece, si allunga in una forma ovale. La lunghezza di questo ovale è determinata dalla velocità con cui gli atomi possono rispondere alla luce, un fattore correlato alla larghezza di banda dell'interazione. La larghezza dell'ovale, tuttavia, è stabilita direttamente dalle dimensioni fisiche del raggio di blocco, ovvero la distanza su cui gli atomi di Rydberg si respingono tra loro. Questa scoperta conferma che l'interazione trasversale, o laterale, è un fenomeno distinto che può essere misurato indipendentemente dalle interazioni basate sul tempo studiate in passato.

Per comprendere la scala di questo effetto, il team ha variato la dimensione del raggio laser in entrata rispetto alla dimensione del blocco. Quando il fascio era molto più largo della zona di blocco, i fotoni hanno creato un chiaro buco scuro al centro del fascio in uscita, esattamente dove il blocco impediva loro di trovarsi. Questo buco aveva una larghezza corrispondente alle dimensioni del raggio di blocco, circa il doppio della distanza su cui gli atomi si respingono l'un l'altro. Tuttavia, quando il fascio era più stretto della zona di blocco, l'effetto è cambiato. Il buco netto è scomparso, sostituito da un allargamento della luce causato dalla naturale diffusione del fascio mentre viaggia. Questa transizione segna un passaggio da un regime in cui l'interazione atomica domina a uno in cui la natura ondulatoria della luce prende il sopravvento. Le simulazioni suggeriscono che misurando il modello spaziale della luce dopo che è uscita dalla nuvola, gli scienziati possano determinare direttamente la dimensione del raggio di blocco, fornendo un nuovo e preciso modo per misurare queste interazioni quantistiche.

Il lavoro si basa su un modello matematico che semplifica la complessa descrizione in nove parti del sistema fotone-atomo in un'unica equazione più facile da comprendere. Questa equazione tratta i due fotoni come un'unica entità che si muove attraverso un paesaggio modellato dagli atomi. In questo paesaggio, gli atomi agiscono come una collina di potenziale che i fotoni devono navigare. Il modello mostra che i fotoni si muovono diversamente lungo il percorso del fascio rispetto a quanto facciano trasversalmente, molto simile a una particella che si muove attraverso un mezzo che offre diverse resistenze in diverse direzioni. I ricercatori hanno verificato il loro modello semplificato confrontandolo con simulazioni numeriche complete e dettagliate, e i risultati sono corrisposti strettamente. Questo accordo conferisce fiducia nel fatto che il quadro semplificato catturi la fisica essenziale della situazione senza dover risolvere ogni volta le versioni più complesse delle equazioni.

Queste scoperte stabiliscono che il blocco di Rydberg trasversale è un meccanimento misurabile e distinto per creare correlazioni tra i fotoni. Mentre gli esperimenti precedenti si sono concentrati su come i fotoni si raggruppino o si evitino nel tempo, questo lavoro mostra che essi lo fanno anche nello spazio. La capacità di controllare e misurare queste correlazioni spaziali apre la porta alla creazione di stati quantistici della luce complessi che esistono in dimensioni superiori. Tali stati potrebbero trasportare più informazioni rispetto ai semplici segnali on-off, offrendo nuove risorse per la comunicazione e l'informatica quantistica. Lo studio non afferma di aver ancora costruito un dispositivo funzionante, ma fornisce la base teorica e le previsioni specifiche necessarie per progettare tali esperimenti. Dimostrando che il raggio di blocco stabilisce un limite rigido su quanto i fotoni possano avvicinarsi nella direzione trasversale, i ricercatori hanno identificato un nuovo osservabile che può essere utilizzato per sondare le proprietà fondamentali dell'interazione luce-materia.