Sedan början av kvantfysiken, för hundra år sedan, det har varit känt att alla partiklar i universum delas in i två kategorier:fermioner och bosoner. Till exempel, de protoner som finns i atomkärnor är fermioner, medan bosoner inkluderar fotoner - som är partiklar av ljus - såväl som BroutEnglert-Higgs-bosonen, för vilket François Englert, professor vid ULB, belönades med Nobelpriset i fysik 2013.

Bosoner – särskilt fotoner – har en naturlig tendens att klumpa ihop sig. Ett av de mest anmärkningsvärda experiment som visade fotoners tendens att sammansmälta utfördes 1987, när tre fysiker identifierade en effekt som sedan dess uppkallats efter dem:Hong-Ou-Mandel-effekten. Om två fotoner skickas samtidigt, var och en mot en annan sida av en stråldelare—en sorts halvtransparent spegel—, man kan förvänta sig att varje foton kommer att antingen reflekteras eller sändas.

Logiskt sett, Fotoner bör ibland detekteras på motsatta sidor av denna spegel, vilket skulle hända om båda reflekteras eller om båda sänds. Dock, experimentet har visat att detta aldrig faktiskt händer:de två fotonerna hamnar alltid på samma sida av spegeln, som om de "föredrar" att hålla ihop. I en artikel som nyligen publicerades i en amerikansk tidskrift Proceedings of the National Academy of Sciences , Nicolas Cerf—en professor vid Centre for Quantum Information and Communication (École polytechnique de Bruxelles)—och hans tidigare Ph.D. Student Michael Jabbour – nu postdoktor vid University of Cambridge – beskriver hur de identifierade ett annat sätt på vilket fotoner visar sin tendens att hålla ihop. Istället för en halvtransparent spegel, forskarna använde en optisk förstärkare, kallas en aktiv komponent eftersom den producerar nya fotoner. De kunde påvisa förekomsten av en effekt som liknar Hong-Ou-Mandel-effekten, men som i det här fallet fångar en ny form av kvantinterferens.

Kvantfysiken säger oss att Hong-Ou-Mandel-effekten är en konsekvens av interferensfenomenet, tillsammans med det faktum att båda fotonerna är helt identiska. Detta betyder att det är omöjligt att särskilja den bana där båda fotonerna reflekterades från spegeln å ena sidan, och banan i vilken båda överfördes genom spegeln å andra sidan; det är i grunden omöjligt att skilja fotonerna isär. Den anmärkningsvärda konsekvensen av detta är att båda banorna tar ut varandra! Som ett resultat, de två fotonerna observeras aldrig på de två motsatta sidorna av spegeln. Denna egenskap hos fotoner är ganska svårfångad:om de var små bollar, identisk på alla sätt, båda dessa banor kunde mycket väl observeras. Som ofta är fallet, kvantfysiken står i strid med vår klassiska intuition.

De två forskarna från ULB och University of Cambridge har visat att omöjligheten att differentiera de fotoner som emitteras av en optisk förstärkare ger en effekt som kan vara ännu mer överraskande. I grunden störningen som uppstår på en halvtransparent spegel härrör från det faktum att om vi föreställer oss att byta de två fotonerna på vardera sidan av spegeln, den resulterande konfigurationen är exakt identisk. Med en optisk förstärkare, å andra sidan, effekten som identifierats av Cerf och Jabbour måste förstås genom att titta på fotonutbyten inte genom rymden, men genom tiden.

När två fotoner skickas in i en optisk förstärkare, de kan helt enkelt passera opåverkade. Dock, en optisk förstärkare kan också producera (eller förstöra) ett par tvillingfotoner:så en annan möjlighet är att båda fotonerna elimineras och ett nytt par skapas. I princip, det borde vara möjligt att avgöra vilket scenario som har inträffat baserat på om de två fotonerna som lämnar den optiska förstärkaren är identiska med de som skickades in. Om det var möjligt att skilja fotonparen isär, då skulle banorna vara annorlunda och det skulle inte bli någon kvanteffekt. Dock, forskarna har funnit att den grundläggande omöjligheten att skilja fotoner isär i tid (med andra ord, det är omöjligt att veta om de har bytts ut inuti den optiska förstärkaren) helt eliminerar möjligheten i sig att observera ett par fotoner som lämnar förstärkaren. Detta betyder att forskarna verkligen har identifierat ett kvantinterferensfenomen som uppstår genom tiden. Förhoppningsvis, ett experiment kommer så småningom att bekräfta denna fascinerande förutsägelse.