Novo método revoluciona visualização de fótons emaranhados em tempo real
Uma recente descoberta surgiu da colaboração entre pesquisadores da Universidade de Ottawa e os cientistas Danilo Zia e Fabio Sciarrino da Universidade Sapienza de Roma. A descoberta introduz uma técnica inovadora que permite a visualização em tempo real da função de onda de fótons emaranhados, os constituintes fundamentais da luz.
Usando uma analogia com um par de sapatos, o conceito de emaranhamento pode ser comparado a escolher um sapato ao acaso. Assim que um sapato é identificado, as propriedades do outro sapato, seja ele o esquerdo ou o direito, são instantaneamente conhecidas, independentemente de sua posição no universo. No entanto, o elemento intrigante reside na incerteza inerente associada a esse processo de identificação até o momento da observação.
A mecânica quântica se baseia no conceito de função de onda, que oferece uma descrição abrangente do estado quântico de uma partícula. Na analogia dos sapatos, a “função de onda” do sapato poderia encapsular detalhes como esquerdo ou direito, tamanho, cor e outros.
Mais precisamente, a função de onda capacita os pesquisadores quânticos a antecipar os prováveis resultados de diversas medições em uma entidade quântica, como sua posição ou velocidade.
Essa capacidade preditiva tem um valor imenso, especialmente no domínio em rápido avanço da tecnologia quântica. Nesse campo, ter conhecimento de um estado quântico que é gerado ou inserido em um computador quântico pode facilitar o teste do próprio computador. Além disso, os estados quânticos usados na computação quântica são notavelmente intrincados, envolvendo numerosas entidades que podem exibir correlações não locais potentes, ou emaranhamento.
Compreender a função de onda de um sistema quântico assim apresenta um desafio formidável, frequentemente referido como tomografia de estado quântico. Métodos convencionais, baseados em operações projetivas, demandam um número crescente de medições à medida que a complexidade do sistema (dimensionalidade) aumenta.
Tentativas anteriores seguindo essa abordagem indicaram que caracterizar ou medir o estado quântico de alta dimensionalidade de dois fótons emaranhados poderia levar períodos prolongados, variando de horas a dias. A qualidade do resultado também é sensível ao ruído e dependente da complexidade da configuração experimental.
Uma analogia adequada para a técnica de medição projetiva na tomografia quântica é visualizar as sombras projetadas por um objeto de alta dimensionalidade em diferentes paredes a partir de direções distintas. Os pesquisadores podem apenas perceber essas sombras, a partir das quais deduzem a forma (estado) completa do objeto. Analogamente, uma tomografia computadorizada (TC) reconstrói a informação de um objeto 3D a partir de uma coleção de imagens 2D.
No entanto, a óptica clássica apresenta outra abordagem para a reconstrução de um objeto 3D, conhecida como holografia digital. Isso envolve a gravação de um interferograma, uma única imagem criada pela interferência da luz dispersa pelo objeto com uma luz de referência.
A equipe de pesquisa, liderada por Ebrahim Karimi, titular da Canada Research Chair em Ondas Quânticas Estruturadas e co-diretor do instituto de pesquisa uOttawa Nexus for Quantum Technologies (NexQT), estendeu esse conceito para o caso de dois fótons.
Para reconstruir um estado de bipartícula, envolve sobrepor esse estado com um estado quântico presumivelmente bem conhecido e, em seguida, analisar a distribuição espacial das posições onde dois fótons chegam simultaneamente. Capturar essa chegada simultânea de fótons é denominado uma imagem de coincidência. Esses fótons podem ter origem na fonte de referência ou em uma fonte desconhecida, de acordo com os princípios da mecânica quântica, que impedem a identificação da fonte dos fótons.
Isso resulta em um padrão de interferência, oferecendo um meio para reconstruir a função de onda desconhecida. O experimento foi facilitado por uma câmera sofisticada com resolução de nanossegundos por pixel.
O Dr. Alessio D’Errico, um pesquisador pós-doutorado na Universidade de Ottawa e co-autor do estudo, enfatizou os notáveis benefícios dessa nova técnica. “Este método é significativamente mais rápido do que abordagens anteriores, exigindo apenas minutos ou segundos em vez de dias. Crucialmente, o tempo de detecção não é afetado pela complexidade do sistema, abordando o antigo obstáculo de escalabilidade na tomografia projetiva.”
A importância dessa pesquisa vai além do âmbito acadêmico, potencialmente acelerando o progresso na tecnologia quântica. Isso poderia levar a uma caracterização aprimorada de estados quânticos, melhor comunicação quântica e o desenvolvimento de novas técnicas de imagem quântica. [Phys]
