Confirmación experimental de la deslocalización de fotones individuales en un interferómetro ✦
Se considera generalmente que la detección de un único fotón en un patrón de interferencia borra toda la información sobre el camino recorrido. Sin embargo, investigaciones recientes muestran que las interacciones débiles permiten obtener evidencia experimental no trivial de la deslocalización física de una partícula individual en un interferómetro. Se presenta un montaje experimental capaz de cuantificar la deslocalización de fotones a través de la frecuencia de los cambios de polarización inducidos por pequeñas rotaciones. Los resultados demuestran que los fotones en superposición equitativa de dos caminos están deslocalizados cuando se detectan en un puerto de salida de alta probabilidad, y 'superlocalizados' cuando se detectan en uno de baja probabilidad. Esto confirma que la deslocalización depende del resultado de la detección, proporcionando una prueba experimental directa de la dependencia contextual de la realidad física impuesta por una medición futura.
Context
Desde los primeros días de la mecánica cuántica, Niels Bohr afirmó que es imposible saber simultáneamente por qué camino pasó un fotón y observar interferencia: este es el principio de complementariedad. Sin embargo, la violación de las desigualdades de John Stewart Bell y el experimento mental de elección retardada de John Archibald Wheeler mostraron que la realidad cuántica no encaja en un marco de propiedades independientes de las mediciones. Este trabajo da por primera vez una respuesta experimental directa: la dualidad onda-partícula no es solo una regularidad estadística, sino una consecuencia de la deslocalización física de la partícula, que depende de la medición posterior.
Methods
En un montaje tipo Sagnac, el haz láser (808.5 nm) se atenuaba hasta una tasa de ~110 000 fotones por segundo. Los fotones con polarización vertical incidían en un divisor de haz 50:50, creando una superposición de dos caminos. En cada brazo se colocaba una lámina de media onda que rotaba la polarización en un pequeño ángulo +θ₀ y –θ₀ (θ₀≪1). Dado que la probabilidad de volteo a polarización H depende solo del cuadrado del ángulo, los fotones localizados producirían la misma tasa de volteos. Pero con interferencia la tasa cambiaba: la supresión indicaba deslocalización (cancelación mutua de las rotaciones), mientras que el aumento indicaba superlocalización (cambio efectivo del signo de la rotación debido a una 'fracción' negativa del fotón en un camino). Se realizaron mediciones para 32 fases, acumulando señal durante 100 segundos para cada polarización en cada puerto de salida.
Results
El patrón de interferencia tuvo una visibilidad de 0.9575 y 0.9629, a pesar de los pequeños efectos de decoherencia introducidos por las rotaciones. Con interferencia constructiva, la probabilidad de volteo a H, P(H|±), caía por debajo del nivel de los fotones localizados (~0.015), alcanzando valores cercanos a cero: el fotón estaba distribuido por igual entre los caminos (deslocalización ideal). Con interferencia destructiva, P(H|±) aumentaba bruscamente: hasta 0.857±0.005 en el puerto negativo y 0.663±0.002 en el puerto positivo, correspondiente a A² de hasta 57.80 y 41.78. Esto significa que en un brazo el fotón 'estaba presente' con un peso mayor que 7, y en el otro con un peso negativo, compensando la normalización total. Tal superlocalización es necesaria para mantener el promedio A²=1, como en la medición directa del camino, y está directamente relacionada con la probabilidad suprimida de activación del puerto: A²(±) ≈ 1/P(±).
Implications
El experimento destruye las ideas clásicas de que una partícula siempre está en un lugar definido antes de la medición. El principio de incertidumbre se manifiesta aquí no como una limitación al conocimiento simultáneo, sino como una dependencia contextual de la realidad misma. Esto profundiza nuestra comprensión de la información cuántica y del proceso de medición: las interacciones débiles permiten extraer información sobre el sistema sin destruir la interferencia, y demuestran que el pasado de la partícula es moldeado por la medición futura. El colapso de la función de onda resulta no ser un evento instantáneo, sino el resultado de la consonancia de toda la configuración experimental.
Future development
El método puede extenderse a interferómetros de múltiples haces y a estados entrelazados. Resulta de especial interés el uso aplicado de la superlocalización para amplificar la sensibilidad de fase en metrología cuántica: se espera superar el límite cuántico estándar. También es posible adaptarlo para verificar la contextualidad en circuitos de computación cuántica.
Impact
Los resultados impactarán en la física fundamental, la óptica cuántica, el desarrollo de sensores cuánticos y, potencialmente, en la filosofía de la ciencia.
Next steps
Los planes inmediatos incluyen la implementación de un protocolo metrológico basado en la superlocalización y la investigación de los límites de aplicabilidad del método en condiciones de grandes pérdidas y decoherencia.
Key open problems
El trabajo está directamente relacionado con el problema de la medición: ¿es la función de onda una entidad epistémica u óntica? Los datos obtenidos inclinan la balanza a favor de la interpretación óntica, donde la superposición es una distribución real pero dependiente del contexto. Esto también arroja luz sobre la paradoja del 'amigo de Wigner' y la conexión entre información y realidad.
🎯 Teóricamente, a medida que la probabilidad de activación del puerto tiende a cero, la superlocalización A² puede hacerse arbitrariamente grande, limitada solo por la visibilidad experimental. En nuestro experimento, la amplificación fue de ~50 veces, lo que equivale a como si el fotón se hubiera 'esparcido' por los brazos con pesos +4 y –3.
Key numbers
- Visibilidad de la interferencia: 0.9575 (puerto +) y 0.9629 (puerto –)
- Probabilidad de volteo H para fotones localizados: ~0.015
- Superlocalización A² máxima: 57.80±0.34 (puerto –) y 41.78±0.17 (puerto +)
- Tasa de conteo de fotones: ~110 000 por segundo
- Longitud de onda del láser: 808.5 nm