Sinds het allereerste begin van de kwantumfysica, honderd jaar geleden, het is bekend dat alle deeltjes in het universum in twee categorieën vallen:fermionen en bosonen. Bijvoorbeeld, de protonen in atoomkernen zijn fermionen, terwijl bosonen fotonen omvatten - die lichtdeeltjes zijn - evenals het BroutEnglert-Higgs-deeltje, waarvoor François Englert, een professor aan de ULB, kreeg in 2013 de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Bosonen, vooral fotonen, hebben de natuurlijke neiging om samen te klonteren. Een van de meest opmerkelijke experimenten die de neiging van fotonen om samen te smelten aantoonde, werd uitgevoerd in 1987, toen drie natuurkundigen een effect identificeerden dat sindsdien naar hen is vernoemd:het Hong-Ou-Mandel-effect. Als twee fotonen tegelijkertijd worden verzonden, elk naar een andere kant van een bundelsplitser - een soort halftransparante spiegel -, men zou kunnen verwachten dat elk foton wordt gereflecteerd of uitgezonden.

logisch, fotonen moeten soms worden gedetecteerd aan weerszijden van deze spiegel, wat zou gebeuren als beide worden gereflecteerd of als beide worden uitgezonden. Echter, het experiment heeft uitgewezen dat dit eigenlijk nooit gebeurt:de twee fotonen komen altijd aan dezelfde kant van de spiegel terecht, alsof ze 'het liefst' bij elkaar bleven. In een recent gepubliceerd artikel in een Amerikaans tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , Nicolas Cerf - een professor aan het Centrum voor Quantum Informatie en Communicatie (École polytechnique de Bruxelles) - en zijn voormalige Ph.D. student Michael Jabbour - nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Cambridge - beschrijft hoe ze een andere manier identificeerden waarop fotonen hun neiging om bij elkaar te blijven manifesteren. In plaats van een semi-transparante spiegel, gebruikten de onderzoekers een optische versterker, een actieve component genoemd omdat het nieuwe fotonen produceert. Ze waren in staat om het bestaan ​​van een effect aan te tonen dat vergelijkbaar is met het Hong-Ou-Mandel-effect, maar die in dit geval een nieuwe vorm van kwantuminterferentie opvangt.

De kwantumfysica vertelt ons dat het Hong-Ou-Mandel-effect een gevolg is van het interferentiefenomeen, gekoppeld aan het feit dat beide fotonen absoluut identiek zijn. Dit betekent dat het enerzijds onmogelijk is om het traject te onderscheiden waarin beide fotonen door de spiegel werden weerkaatst, en anderzijds het traject waarin beide door de spiegel werden overgebracht; het is principieel onmogelijk om de fotonen van elkaar te onderscheiden. Het opmerkelijke gevolg hiervan is dat beide trajecten elkaar opheffen! Als resultaat, de twee fotonen worden nooit waargenomen aan de twee tegenoverliggende zijden van de spiegel. Deze eigenschap van fotonen is vrij ongrijpbaar:als het kleine bolletjes waren, in alle opzichten identiek, beide trajecten konden heel goed worden waargenomen. Zoals vaak het geval is, kwantumfysica staat haaks op onze klassieke intuïtie.

De twee onderzoekers van de ULB en de Universiteit van Cambridge hebben aangetoond dat de onmogelijkheid om de fotonen die door een optische versterker worden uitgezonden te differentiëren, een mogelijk nog verrassender effect oplevert. Fundamenteel, de interferentie die optreedt op een semi-transparante spiegel komt voort uit het feit dat als we ons voorstellen dat we de twee fotonen aan weerszijden van de spiegel verwisselen, de resulterende configuratie is exact identiek. Met een optische versterker, anderzijds, het door Cerf en Jabbour geïdentificeerde effect moet worden begrepen door naar fotonuitwisselingen te kijken, niet door de ruimte, maar door de tijd.

Wanneer twee fotonen naar een optische versterker worden gestuurd, ze kunnen er gewoon onaangetast doorheen. Echter, een optische versterker kan ook een paar tweelingfotonen produceren (of vernietigen):een andere mogelijkheid is dus dat beide fotonen worden geëlimineerd en een nieuw paar wordt gecreëerd. In principe, het zou mogelijk moeten zijn om te bepalen welk scenario zich heeft voorgedaan op basis van het feit of de twee fotonen die de optische versterker verlaten identiek zijn aan de fotonen die zijn ingestuurd. Als het mogelijk zou zijn om de paren fotonen van elkaar te onderscheiden, dan zouden de trajecten anders zijn en zou er geen kwantumeffect zijn. Echter, hebben de onderzoekers ontdekt dat de fundamentele onmogelijkheid om fotonen in de tijd uit elkaar te houden (met andere woorden, het is onmogelijk om te weten of ze zijn vervangen in de optische versterker) elimineert volledig de mogelijkheid zelf om een ​​paar fotonen waar te nemen die de versterker verlaten. Dit betekent dat de onderzoekers inderdaad een kwantuminterferentiefenomeen hebben geïdentificeerd dat zich in de tijd voordoet. Hopelijk, een experiment zal deze fascinerende voorspelling uiteindelijk bevestigen.