Fibras ópticas evoluem para fibras quânticas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/11/2022

A fibra quântica funciona graças a um fenômeno chamado localização de Anderson.
[Imagem: ICFO/A. Cuevas]

Fibra quântica

Pesquisadores do Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO), na Espanha, conseguiram transformar as tradicionais fibras ópticas em "fibras quânticas", capazes de transportar informações diretamente utilizáveis em todas as tecnologias que levam o mesmo sobrenome, como os computadores, criptografia e redes.

Enquanto as fibras ópticas atuais transmitem a luz clássica, ou seja, a luz vista como um fluxo contínuo de fótons, a nova fibra lida com a luz quântica, ou seja, com fótons, pacotes individuais de luz que precisam manter seus delicados estados de correlação com outros fótons, para que sua informação seja preservada.

Alexander Demuth e seus colegas demonstraram com sucesso o transporte de estados quânticos de luz de dois fótons através de um modelo especial de fibra óptica, conhecida como fibra óptica separada por fases, ou PSF na sigla em inglês (Phase-Separated Fiber).

Na demonstração, a PSF (fibra separada por fase) conectou um transmissor e um receptor. O transmissor é uma fonte de luz quântica, ou seja, que gera pares de fótons correlacionados, intrinsecamente unidos pelo fenômeno do entrelaçamento quântico. O receptor é uma câmera de diodo de avalanche de fóton único (SPAD: Single Photon Avalanche Photodiode). Ao contrário das câmeras CMOS comuns, esta é tão sensível que pode detectar fótons únicos com ruído extremamente baixo. Ela também tem uma resolução de tempo muito alta, de modo que o tempo de chegada dos fótons individuais é conhecido com alta precisão.

A matriz SPAD - pense nela como um "CCD quântico" - permitiu não apenas detectar os pares de fótons, mas também identificá-los como pares, já que eles chegam virtualmente ao mesmo tempo (coincidentes). Como os pares são correlacionados quanticamente, saber onde um dos dois fótons está mostra a localização do outro fóton. A equipe verificou essa correlação logo antes e logo depois de enviar a luz quântica através da fibra, mostrando com sucesso que a correlação espacial dos fótons foi de fato preservada.

Esquema da demonstração.
[Imagem: Alexander Demuth et al. - 10.1038/s42005-022-01036-5]

Localização de Anderson

O funcionamento da fibra óptica quântica é baseado em um fenômeno conhecido como localização de Anderson, efeito pelo qual Philip Warren Anderson (1923-2020) ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1977.

A teoria da localização de Anderson descreve como qualquer tipo de onda - seja ela composta de luz, som ou matéria - pode ficar "localizada", ou presa, travada, em um determinado local, por causa da desordem do meio de propagação.

Experimentos já haviam demonstrado a localização de Anderson em fibras ópticas, realizando o confinamento ou localização da luz - luz clássica, ou convencional - em duas dimensões conforme ela se propagava através da terceira dimensão. Embora esses experimentos tenham mostrado resultados bem-sucedidos com luz clássica, até agora ninguém os havia testado com luz quântica - fóton em estados quânticos entrelaçados, ou emaranhados, ou em superposição.

Ao contrário das fibras ópticas monomodo convencionais, onde os dados são transmitidos através de um único núcleo, uma fibra separada por fase (PSF) - também chamada de fibra de localização de Anderson separada por fase - é feita de muitos fios de vidro embutidos em uma matriz de vidro com dois índices de refração diferentes.

Durante sua fabricação, à medida que o vidro (borossilicato) é aquecido e fundido, ele é puxado e transformado em uma fibra, onde uma das duas fases de diferentes índices de refração tende a formar fios de vidro alongados. Como existem dois índices de refração dentro do material, isso gera o que é conhecido como desordem lateral, que leva à localização de Anderson transversa (2D) da luz no material.

Segundo a equipe, os resultados de seu experimento mostram que esta abordagem é promissora para processos de fabricação escalonáveis em aplicações do mundo real, como em imagens quânticas ou comunicações quânticas, especialmente no campo da tecnologia da informação, para distribuição de entrelaçamento e distribuição de chaves para criptografia, mas também para a geração de imagens, na endoscopia de alta resolução, por exemplo.

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