© FUWHologram of a single photon reconstructed from raw measurements (left) and theoretically predicted (right).
Ora i fisici polacchi hanno creato il primo ologramma di una singola particella di luce. L'impresa, ottenuta osservando l'interferenza di due fasci di luce che si intersecano, rappresenta un'importante intuizione sulla natura quantistica fondamentale della luce.
Il risultato potrebbe essere importante anche per le tecnologie che richiedono la comprensione della forma dei singoli fotoni, come la comunicazione quantistica e i computer quantistici.
"Abbiamo eseguito un esperimento relativamente semplice per misurare e vedere qualcosa di incredibilmente difficile da osservare: la forma dei fronti d'onda di un singolo fotone," dice Radoslaw Chrapkiewicz, fisico dell'Università di Varsavia e autore principale del nuovo lavoro, pubblicato su Nature Photonics.
Per centinaia di anni, i fisici hanno lavorato per capire di che cosa sia composta la luce . Nel XIX secolo, il dibattito sembrava essere risolto dalla descrizione della luce fatta dal fisico scozzese James Clerk Maxwell, che la descriveva come un'onda di elettromagnetismo.
Ma le cose si complicarono un po' all'inizio del XX secolo, quando il fisico tedesco Max Planck, e poi il connazionale Albert Einstein, dimostrarono che la luce era composta da minuscoli pacchetti indivisibili chiamati fotoni.
Negli anni '20, il fisico austriaco Erwin Schrödinger elaborò queste idee con le equazioni della funzione d'onda quantica per descrivere l'aspetto di un'onda, che si è dimostrata incredibilmente potente nel prevedere i risultati degli esperimenti con i fotoni. Ma, nonostante il successo della teoria di Schrödinger, i fisici discutono ancora su quale sia il reale significato della funzione d'onda.
Ora i fisici dell'Università di Varsavia hanno misurato, per la prima volta, la forma descritta dall'equazione di Schrödinger in un esperimento.
I fotoni, che viaggiano come onde, possono essere in sintonia (si dice che hanno la stessa fase). Se interagiscono, producono un segnale luminoso. Se sono fuori fase, si annullano a vicenda. È come se le onde sonore provenienti da due altoparlanti producessero delle zone rumorose e silenziose in una stanza.
L'immagine - chiamata ologramma perché contiene informazioni sulla forma e sulla fase del fotone - è stata creata sparando contemporaneamente due fasci di luce su un rifrattore di fasci luminosi, fatto di cristallo di calcite.
Il rifrattore agisce un po' come un incrocio stradale, dove ogni fotone può passare direttamente o svoltare. L'esperimento del team polacco si basa sulla misurazione del percorso di ciascun fotone, che dipende dalla forma delle loro funzioni d'onda.
© FUW / DUALCOLOR.PL / JCHSchema del setup sperimentale per la misurazione di ologrammi di singoli fotoni.
Il team si è reso conto che se si conosceva la funzione d'onda di uno dei fotoni, si poteva capire la forma del secondo dalla posizione dei lampi che apparivano su un rivelatore.
È un po' come sparare due proiettili che si scontrano a mezz'aria e usare le traiettorie deviate per capire la forma di ciascun proiettile.
Ogni esecuzione dell'esperimento ha prodotto due lampi su un rilevatore, uno per ogni fotone. Dopo oltre 2.000 ripetizioni, si è creato uno schema di lampi e il team è stato in grado di ricostruire la forma della funzione d'onda del fotone sconosciuto.
L'immagine risultante assomiglia un po' a una croce di Malta, proprio come la funzione d'onda prevista dall'equazione di Schrödinger. Nei bracci della croce, dove i fotoni erano al passo, l'immagine è luminosa - e dove non lo erano, vediamo il buio.
L'esperimento ci porta "un passo più vicino alla comprensione di cosa sia realmente la funzione d'onda", afferma Michal Jachura, coautore del lavoro, e potrebbe essere un nuovo strumento per studiare l'interazione tra due fotoni, su cui si basano tecnologie come la comunicazione quantistica e alcune versioni del calcolo quantistico.
I ricercatori sperano anche di ricreare funzioni d'onda di oggetti quantistici più complessi, come gli atomi.
"È probabile che le applicazioni reali dell'olografia quantistica non appariranno prima di qualche decennio", afferma Konrad Banaszek, anch'egli membro del team, "ma se c'è una cosa di cui possiamo essere certi è che saranno sorprendenti".
I Commenti dei Lettori
alla Newsletter