O que acontece se tentares cortar um único fotão ao meio

A física de partículas gosta de frases simples. “Um fotão é indivisível” é uma delas. Só que um fotão também não é um berlinde com posição definida, é um objeto estendido no espaço e no tempo. Um trio de físicos noruegueses decidiu pegar neste detalhe e perguntar o que acontece se mexermos no espelho precisamente enquanto um único fotão está a ser refletido.

À primeira vista, a intuição típica de mecânica quântica diria isto: o fotão entra num estado de superposição entre ser refletido e ser transmitido, e quando medimos só um dos detetores dispara. Nada de meio fotão para cada lado. É assim num espelho parcialmente refletor, onde nunca vemos dois detetores a clicar em simultâneo. Só que um espelho perfeito removido a meio não é o mesmo problema com outro ângulo. É uma coisa mais violenta: uma alteração brusca das condições de fronteira do campo eletromagnético.

É aqui que entra o lado menos intuitivo. Em termos de teoria de campos, a luz é um campo que obedece a equações onde tempo e frequência estão ligados. Pulsos muito curtos no tempo exigem um espectro de frequências muito largo. Quem já ouviu um estalido seco num rádio de AM sabe isto pela via prática: um impulso elétrico curtíssimo espalha energia por uma larga faixa de frequências. Os investigadores noruegueses mostram que arrancar o espelho a meio do percurso de um fotão faz, em linguagem de campos, algo semelhante a esse estalido, mas em versão quântica.

Ou seja, não ficas com meio fotão estacionado numa metade do espaço. Em vez disso, o campo de luz responde de forma não linear à mudança abrupta do espelho. A energia e a informação quântica daquele único fotão podem ser redistribuídas por uma espécie de “chuva” de novos fotões com diferentes energias. Há conservação global, mas o que entrou como um único quantum sai como um estado mais complicado, com correlações quânticas que simplesmente não aparecem na óptica linear do dia a dia.

O detalhe importante é esse rótulo: não linear. Na maior parte do que vemos à nossa volta, a luz atravessa vidros, reflete-se em superfícies, refrata-se em lentes, tudo de forma linear. As cores não se inventam do nada, só se separam. Para dividir ou combinar fotões precisas de meios que reajam fortemente ao campo, ou de intensidades absurdas, como num laser a espremer óptica não linear. Aqui, os autores sugerem uma outra via: brincar com o próprio “ambiente” quântico no tempo certo, mexendo nos espelhos enquanto um único fotão ainda está a meio do ato de ser refletido.

Isto está longe de ser um truque de laboratório ao alcance de qualquer óptica de bancada. Controlar o movimento de um espelho a escalas temporais compatíveis com o tamanho quântico de um fotão é tecnicamente infernal. Mas a moral é clara. A imagem de um fotão como uma bolinha que bate num espelho, decide e segue é uma aproximação cómoda. Quando tratamos a luz pelo que é, um campo quântico, até um gesto tão simples como tirar o espelho do sítio a meio do reflexo transforma um fotão indivisível num trovão matemático que espalha luz por todo o lado.

Fonte: Ars Technica