Nonlinear engineering of Hong-Ou-Mandel interference with structured light

La luce è spesso considerata come un flusso di minuscole particelle indipendenti, ma nel mondo quantistico, i fotoni possono comportarsi con una sorprendente unità. Quando due fotoni identici arrivano a uno specchio speciale chiamato divisore di fascio (beam splitter) esattamente nello stesso momento, non si limitano a rimbalzare in direzioni casuali. Al contrario, tendono a stare insieme, uscendo dal dispositivo attraverso lo stesso porto. Questo fenomeno, noto come effetto Hong-Ou-Mandel, è un segno distintivo della meccanica quantistica. Esso si basa interamente sul fatto che i due fotoni siano indistinguibili; se sono identici in ogni modo, agiscono come un'unica unità. Tuttavia, se i fotoni differiscono nella loro struttura interna o simmetria, questa unità si rompe e possono separarsi, uscendo attraverso porti diversi. Questo delicato equilibrio tra il stare insieme e il separarsi non è solo una curiosità; funge da potente strumento per misurare le proprietà della luce e della materia con estrema precisione, offrendo una finestra sulla natura fondamentale della realtà.

I ricercatori dell'Institut National de la Recherche Scientifique in Canada hanno ora spinto questo concetto oltre, ingegnerizzando la forma stessa della luce utilizzata per creare queste coppie di fotoni. Nel loro lavoro, hanno esplorato come la simmetria di un raggio laser influenzi il comportamento dei fotoni che esso genera. Normalmente, gli scienziati controllano l'interazione tra i fotoni regolando i loro tempi di arrivo o filtrando i loro colori. In questo studio, il team ha adottato un approccio diverso: ha modellato il raggio laser stesso prima che entrasse in un cristallo che lo divide in coppie di fotoni. Utilizzando un dispositivo chiamato modulatore spaziale di luce, sono stati in grado di torcere e ruotare il pattern del raggio, ruotando efficacemente la "forma" della luce. Hanno scoperto che il modo in cui questi fasci modellati ruotano determina se i fotoni risultanti si raggrupperanno o si separeranno, creando un pattern di interferenza unico che funge da impronta digitale per la specifica forma della luce.

Il team si è concentrato su due specifiche famiglie di pattern luminosi, noti come modi Hermite-Gaussian e Laguerre-Gaussian. Questi non sono semplici fasci di luce circolari, ma piuttosto strutture complesse con forme distinte, come rettangoli con un numero variabile di bande chiare e scure, o spirali con un nucleo centrale scuro. Quando i ricercatori hanno pompato il loro cristallo con un fascio Hermite-Gaussian e lo hanno ruotato lentamente, hanno osservato una transizione affascinante. Mentre il fascio ruotava, i fotoni passavano dal stare insieme al separarsi, e poi di nuovo insieme. La velocità e la nitidezza di questo passaggio dipendevano interamente dalla complessità della forma del fascio. Per i fasci più semplici, la transizione era graduale. Ma man mano che i ricercatori aumentavano la complessità del pattern, aggiungendo più bande e ordini di struttura più elevati, la transizione diventava incredibilmente netta. I fotoni rimanevano raggruppati per la maggior parte della rotazione, per poi passare improvvisamente alla separazione su un angolo piccolissimo. Ciò suggerisce che, utilizzando pattern di luce più complessi, si potrebbero costruire sensori estremamente sensibili ai minimi cambiamenti di rotazione.

In un esperimento parallelo, il team ha investigato fasci che trasportano un movimento di torsione, noto come momento angolare orbitale. Questi fasci, quando combinati in un modo specifico per formare quelli che vengono chiamati "modi a petalo" (petal modes), hanno prodotto un segnale di tipo diverso. Invece di un passaggio netto, il pattern di interferenza oscillava come un'onda mentre il fascio ruotava. Fondamentalmente, la frequenza di questa onda aumentava in proporzione diretta alla quantità di torsione della luce. Un fascio con una maggiore quantità di torsione faceva sì che il pattern di interferenza ciclasse attraverso i suoi picchi e le sue valli più volte all'interno della stessa rotazione. Questo comportamento rispecchia le prestazioni di un famoso tipo di stato quantistico noto come stato NOON, celebre per la sua capacità di migliorare la precisione delle misurazioni. I ricercatori hanno scoperto che aumentando la torsione della loro luce, potevano effettivamente moltiplicare la loro capacità di rilevare la rotazione, raggiungendo un livello di sensibilità che scala con la complessità della struttura della luce.

L'allestimento sperimentale prevedeva un laser a onda continua che opera a una lunghezza d'onda di 405 nanometri, che veniva modellato e poi diretto in un cristallo di borato di bario beta. Questo processo generava coppie di fotoni a 810 nanometri, che venivano poi guidati attraverso una serie di lenti e filtri prima di incontrarsi in un divisore di fascio. I ricercatori hanno misurato attentamente la coincidenza di questi fotoni — contando quanto spesso arrivavano ai rilevatori simultaneamente — mentre ruotavano il fascio di pompa con incrementi di cinque gradi. Hanno osservato che, per i modi Hermite-Gaussian, la transizione dal raggruppamento all'anti-raggruppamento diventava più netta all'aumentare dell'ordine del modo, con gli ordini più elevati che mostravano un plateau distinto nel segnale. Per i modi a petalo Laguerre-Gaussian, hanno confermato che la frequenza di oscillazione del segnale aumentava linearmente con la carica del momento angolare orbitale, raggiungendo fino a sei cicli per l'ordine più alto testato.

Una scoperta inaspettata dello studio è stata l'uso di fibre ottiche multimodali per raccogliere i fotoni alla fine dell'esperimento. Tipicamente, gli scienziati utilizzano fibre monomodali per garantire che venga rilevata solo una forma di luce specifica e semplice, il che massimizza la chiarezza dell'interferenza. Tuttavia, le leggi di conservazione che governano la generazione di queste coppie di fotoni significavano che un fascio di pompa di ordine superiore non poteva produrre una coppia di fotoni semplici e circolari che potessero entrare in una fibra monomodale. Inveve, il team ha dovuto utilizzare fibre multimodali, che accettano una grande varietà di forme. Nonostante ciò, hanno comunque osservato un'interferenza ad alto contrasto, con misurazioni di visibilità superiori al 70 percento in molti casi. Ciò ha dimostrato che l'interferenza quantistica era abbastanza robusta da sopravvivere anche quando i fotoni non venivano filtrati fino a una singola forma semplice.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre l'esperimento immediato. La capacità di controllare la simmetria delle coppie di fotoni attraverso la forma del fascio di pompa apre nuove strade per la sensoristica quantistica. Le transizioni nette osservate negli esperimenti Hermite-Gaussian suggeriscono una via verso sensori di rotazione molto più sensibili rispetto alla tecnologia attuale. Allo stesso modo, la scalabilità della frequenza osservata negli esperimenti Laguerre-Gaussian indica un metodo per migliorare la risoluzione angolare senza la necessità di complessi stati intrecciati. I ricercatori hanno notato che questo controllo digitale sul pattern di interferenza potrebbe eventualmente servire come livello fisico per il calcolo, dove la forma della luce stessa esegue operazioni logiche. Dominando la geometria della luce, il team ha dimostrato che le regole dell'interferenza quantistica possono essere riscritte, trasformando il semplice atto di ruotare un fascio in un potente strumento per la misurazione e l'elaborazione delle informazioni.