Interferensi klasik muncul dari keadaan cahaya terang dan gelap

[lordi]

Menurut teori optik kuantum terkini, baik keadaan terang maupun gelap cahaya dapat disebabkan oleh interferensi klasik.

Menurut teori fisika klasik, gelombang elektromagnetik tidak dapat berinteraksi dengan materi saat saling berinterferensi secara destruktif, yaitu saat medan listriknya saling meniadakan. Di sisi lain, partikel cahaya masih dapat berinteraksi dengan materi lain bahkan saat medan listrik rata-ratanya nol, menurut teori mekanika kuantum.

Dalam studi terkini, para peneliti dari Max Planck Institute of Quantum Optics, ETH Zurich, dan Federal University of São Carlos meneliti kontras antara teori mekanika klasik dan kuantum dari perspektif optik kuantum, studi tentang interaksi antara cahaya dan materi pada tingkat kuantum. Menurut karya mereka, yang dipublikasikan dalam Physical Review Letters, keadaan binomial dua mode tertentu—keadaan cahaya kolektif yang cemerlang dan gelap—merupakan sumber interferensi klasik. Gerhard Rempe, penulis senior makalah tersebut, mengatakan, "Setelah kolaborasi yang berlangsung lama dan membuahkan hasil mengenai topik QED rongga dengan penulis pertama, Celso J. Villas-Boas, ia dan saya bertukar banyak ide mendalam mengenai topik yang dilaporkan selama beberapa tahun atau lebih." "Ia penasaran dengan apa yang akan terjadi jika atom terpapar pada dua medan cahaya yang keduanya berada dalam superposisi nol dan satu foton. Hal ini terinspirasi oleh eksperimen informasi kuantum saya, yang melibatkan satu atom yang digabungkan ke dua rongga optik dan foton tunggal yang terbang masuk dan keluar dari rongga tersebut. Keadaan terang dan gelap atom Dicke dari tahun 1950-an terkait dengan cara ia mendefinisikan situasi dalam hal keadaan terang dan gelap cahaya.

Skenario Villas-Boas mengganti dua (atau lebih) mode optik dengan nol atau satu foton untuk dua (atau lebih) atom yang diuraikan Dicke dalam makalahnya. Kata "terang" dan "gelap" dalam konteks ini merujuk pada kemampuan atom keadaan dasar untuk distimulasi atau ketidakmampuan untuk melakukannya (karena amplitudo eksitasi yang saling mengganggu secara destruktif), masing-masing.

"Menanggapi gambaran ini, saya membandingkan situasi dengan dua keadaan cahaya koheren yang saling mengganggu secara destruktif dan karena itu tidak dapat mengeksitasi atom pada posisi simpul medan (di mana intensitasnya nol)," kata Rempe. "Perbandingan saya antara medan cahaya kuantum dan klasik secara harfiah memaksa kami untuk berpikir tentang hubungan antara interferensi klasik dengan intensitas maksimum/minimum dan keadaan terang/gelap cahaya mekanika kuantum."

Villas-Boas secara teoritis meneliti eksperimen celah ganda menggunakan keadaan koheren (kuasi-klasik) dan foton tunggal (kuantum), memperluas konsep yang telah dieksplorasinya bersama Rempe. Analisisnya menunjukkan bahwa keadaan cahaya yang cemerlang (dapat dideteksi) dan gelap (tidak terdeteksi) memang dapat menjelaskan pola interferensi, maksimum dan minimum, yang diamati dalam eksperimen.

"Banyak diskusi yang sebagian kontroversial antara kami berdua kemudian mengarah pada gambaran interferensi yang sama sekali baru yang menggunakan partikel alih-alih medan," kata Rempe. "Misalnya, medan cahaya gelombang berdiri klasik (terdiri dari dua gelombang cahaya yang saling berpropagasi) dengan intensitas maksimum dan minimum periodik sekarang digambarkan sebagai suksesi bergantian dari keadaan terang dan gelap foton, masing-masing."

Kehadiran foton dalam keadaan gelap merupakan karakteristik yang menonjol. Menurut kerangka teori baru para peneliti, foton-foton ini ditemukan di simpul-simpul pola interferensi. Akan tetapi, foton-foton ini dianggap tidak terlihat oleh teknik eksperimen standar karena kondisi yang menghubungkannya adalah gelap.

"Ini adalah gambaran yang sangat berlawanan dengan intuisi yang awalnya membuat kami ragu bahwa deskripsi kami bisa benar," kata Rempe. "Eksperimen kelompok saya pada akhir tahun 1990-an, yang meneliti fungsi pengamat jalur mana dalam studi celah ganda, memberikan dukungan.

Pengamatan jalur mana (partikel melalui celah ganda) bisa sangat rumit sehingga tidak memberikan dorongan momentum pada partikel yang mengganggu, seperti yang telah dibahas secara kontroversial saat itu. Untuk menghilangkan pola interferensi, hal ini menimbulkan pertanyaan yang belum terjawab tentang bagaimana pengamat dapat mengarahkan partikel dari zona terang ke zona gelap.

Kerangka teori baru para peneliti menawarkan penjelasan alternatif untuk interferensi klasik yang didasarkan pada optik kuantum. Secara khusus, hal itu menyiratkan bahwa deteksi jalur mana mengubah keadaan menjadi keadaan terang di area yang gelap. Secara khusus, pengamat jalur mana dapat mengubah keadaan partikel sehingga dapat dideteksi tanpa harus mengubah perjalanan partikel.

"Menurut pendapat saya yang sederhana, deskripsi kami bermakna karena memberikan gambaran kuantum (dengan partikel) dari interferensi klasik (dengan gelombang): nilai maksimum dan minimum dihasilkan dari terang yang terjerat (pasangan itu) dan gelap (yang tidak menggabungkan) keadaan partikel," kata Rempe. "Saya akan mengatakan bahwa gambaran kami menyelesaikan aspek-aspek (seperti deteksi jalur mana) dari perdebatan lama yang melibatkan beberapa pemikir terhebat, seperti Newton (partikel), Maxwell (gelombang), Einstein (partikel), Millikan (gelombang), dan banyak lainnya."

Perspektif baru tentang interferensi klasik gelombang ditetapkan oleh penelitian terbaru oleh Rempe, Villas-Boas, dan rekan-rekannya. Perspektif ini mengkarakterisasi intensitas maksimum dan minimum dalam hal superposisi kuantum terang/gelap partikel yang terjerat. Meskipun para ilmuwan telah menyadari bahwa banyak fenomena optik kuantum tidak dapat dijelaskan oleh persamaan klasik Maxwell, teori baru tim tersebut memberikan penjelasan yang lebih luas tentang interferensi.

"Dalam beberapa hal, kami menunjukkan bahwa persamaan Maxwell adalah kasus pembatas mekanika kuantum," kata Rempe. "Dua efek ditambahkan ke model untuk mencapai hal ini. Pertama, penanganan mekanika kuantum menyeluruh diberikan pada detektor yang melacak pola interferensi dan penggandengannya ke cahaya. Kedua, dinyatakan bahwa keadaan partikel yang terjerat adalah penyebab interferensi.

Bergantung pada apakah mereka berpasangan dengan detektor atau tidak, keadaan ini bisa terang atau gelap, atau apa pun di antaranya. Kehadiran partikel dalam keadaan gelap yang tidak terlihat oleh detektor yang dipilih adalah salah satu karakteristik penentunya.

Studi terkini kelompok akademisi ini mungkin akan segera berfungsi sebagai katalisator untuk penelitian tambahan yang ditujukan untuk menyempurnakan teori yang baru-baru ini mereka usulkan, yang mendefinisikan proses interferensi dalam bentuk partikel daripada gelombang. Kerangka kerja yang mereka sarankan dapat membantu mengarahkan upaya eksperimental di masa mendatang dan berkontribusi pada pemahaman kita saat ini tentang interferensi klasik.

"Dalam studi ini, kami secara khusus mempelajari kasus partikel cahaya yang diamati oleh atom dua tingkat dalam keadaan dasarnya," kata Rempe. "Saya pikir akan menarik juga untuk mengeksplorasi kasus partikel material yang diamati oleh detektor lain yang sesuai seperti perangkat ionisasi atau hanya pengendapan pada permukaan."