Generalised quantum interference

Resumo Técnico: Interferência Quântica Generalizada

Problema e Contexto
O efeito Hong-Ou-Mandel (HOM) é uma assinatura fundamental do comportamento quântico, onde dois fótons indistinguíveis que entram em um divisor de feixe equilibrado por diferentes portas sempre saem juntos (agrupamento ou bunching), suprimindo o resultado de coincidência onde eles saem separadamente. Embora o efeito HOM padrão seja uma ferramenta bem estabelecida para caracterizar a indistinguibilidade e fontes de fótons, ele representa apenas um caso específico de interferência quântica de dois fótons. Trabalhos teóricos (Ref. [36]) sugerem que a óptica linear permite uma classe mais ampla de efeitos de interferência "generalizados". Neste arcabouço, ao manipular o estado de entrada e a transformação do divisor de feixe, a interferência destrutiva pode ser ajustada para suprimir não apenas o termo de coincidência, mas um dos dois termos de agrupamento (bunching). Isso resultaria em um regime de interferência quântica assimétrica, onde os fótons podem sair separadamente ou se agrupar em uma porta, mas são proibidos de se agrupar na outra.

Metodologia
Os autores demonstram experimentalmente esta interferência generalizada utilizando a unidade de processamento quântico (QPU) fotônica integrada programável Ascella. O protocolo experimental envolve as seguintes etapas:

1. Preparação do Estado: Dois fótons únicos gerados por uma fonte de ponto quântico são primeiro interferidos em um divisor de feixe equilibrado (50:50) para criar um estado padrão de agrupamento HOM.
2. Geração de Desequilíbrio: Uma atenuação controlada é aplicada a um braço do interferômetro. Isso prepara um estado de entrada de dois fótons desequilibrado da forma $a |2, 0\rangle + \sqrt{1-a^2} |0, 2\rangle$, onde o coeficiente $a$ é determinado pela transmitância $\gamma$ da atenuação.
3. Interferência Variável: Este estado desequilibrado é então direcionado para um divisor de feixe variável com refletividade $R$ ajustável.
4. Detecção: As três possíveis configurações de saída de dois fótons ($|2, 0\rangle$, $|1, 1\rangle$ e $|0, 2\rangle$) são resolvidas usando detecção pseudo-número-de-fótons (PPNR). Isso envolve dividir cada braço de saída em um divisor de feixe equilibrado adicional e monitorar com pares de detectores de nanofios supercondutores. Coincidências dentro de um único braço identificam eventos de agrupamento, enquanto cliques em braços diferentes identificam o resultado de coincidência ($|1, 1\rangle$).

Principais Contribuições e Resultados
O estudo demonstra com sucesso a reformulação contínua da distribuição de saída de dois fótons através do ajuste do desequilíbrio do estado de entrada ($\gamma$) e da refletividade do divisor de feixe ($R$).

• Ponto de Interferência Assimétrica: Os autores identificaram e realizaram as condições específicas para a interferência quântica assimétrica. Ao definir a atenuação para $\gamma \approx 0,7327$ (resultando em um coeficiente de desequilíbrio $a \approx 0,966$) e a refletividade do divisor de feixe para $R \approx 78,9\%$, eles alcançaram um estado onde o termo de agrupamento $|0, 2\rangle$ é suprimido destrutivamente.
• Dados Experimentais: Neste ponto assimétrico, a probabilidade medida da saída suprimida $|0, 2\rangle$ foi de $(1,9 \pm 0,8) \times 10^{-3}$. Em contraste, as outras saídas, $|2, 0\rangle$ e $|1, 1\rangle$, ocorreram com probabilidades quase iguais ($0,479 \pm 0,009$ e $0,519 \pm 0,009$, respectivamente). Isso representa uma supressão de 250 vezes do canal proibido em relação aos canais permitidos.
• Comportamento Generalizado: Ao percorrer $R$ em uma faixa para três diferentes configurações de atenuação, os autores mostraram que as probabilidades de saída evoluem continuamente, coincidindo com as previsões teóricas para a interferência generalizada. Os resultados desviam-se significamente das previsões baseadas em um modelo de partículas clássicas decoerentes, confirmando a natureza quântica do efeito.
• Discrepâncias: Pequenos desvios entre as probabilidades medidas e teóricas foram atribuídos à indistinguibilidade finita dos fótons, erros de calibração no circuito programado e ruído de fundo, particularmente em altas refletividades.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer a primeira demonstração experimental de interferência quântica generalizada em um processador fotônico integrado programável. A principal significância reside na expansão da compreensão do efeito HOM de um fenômeno único e fixo para uma família ajustável de efeitos de interferência acessíveis via óptica linear.

Os autores afirmam que este trabalho coloca o efeito HOM padrão dentro de um contexto mais amplo de interferência de dois fótons. Eles sugerem que a capacidade de suprimir um canal de saída selecionado de maneira controlada poderia ser útil para a preparação de estados de número de fótons emaranhados com óptica linear. O estudo confirma que, ao variar o desequilíbrio do estado de entrada e os parâmetros do divisor de feixe, é possível acessar estados arbitrários de dois fótons e dois modos, com o ponto assimétrico servindo como um caso limite onde um canal de agrupamento específico é proibido.