Físicos da USP obtêm entrelaçamento entre feixes de luz

Com informações da Agência Fapesp - 20/12/2022

Outras equipes já haviam tentado construir um oscilador paramétrico óptico (OPO) com átomos, mas a equipe da USP conseguiu demonstrar de forma inequívoca o entrelaçamento entre os feixes de luz.
[Imagem: Marcos Santos/USP]

Oscilador paramétrico óptico

O entrelaçamento quântico - ou emaranhamento - vem sendo objeto de um intenso esforço de pesquisa porque é um fenômeno que está na base da computação quântica e de quase todas as tecnologias quânticas.

O entrelaçamento ocorre quando dois ou mais sistemas - de partículas individuais a feixes completos - são gerados ou interagem de tal maneira que o estado de um não pode ser descrito independentemente dos estados dos outros; uma vez correlacionados, eles assim se mantêm independentemente da distância que um fique do outro.

Pesquisadores da USP conseguiram agora desenvolver uma fonte de luz que produz dois feixes luminosos entrelaçados - feixes inteiros, e não apenas fótons individuais.

"Essa fonte de luz, conhecida como oscilador paramétrico óptico (OPO), é tipicamente constituída por um cristal, com resposta óptica não linear, no meio de dois espelhos que formam uma cavidade óptica. Ao incidir sobre o aparato um feixe de luz verde intenso, a dinâmica entre o cristal e os espelhos produz dois feixes luminosos que apresentam correlações quânticas," descreve o professor Hans Florez.

O problema é que a luz emitida por OPOs baseados em cristais não pode interagir com outros sistemas de interesse no contexto da informação quântica, como átomos frios, íons ou chips, já que possui comprimento de onda diferente daqueles desses sistemas.

"Em trabalho anterior de nosso grupo, demonstramos que, ao invés de usar um cristal, era possível utilizar os próprios átomos como meio. Dessa forma, produzimos, pela primeira vez, um OPO baseado em átomos de rubídio no qual os dois feixes luminosos apresentavam correlações quânticas de intensidade. Obtivemos, portanto, uma fonte que podia interagir com outros sistemas, como átomos frios, com potencial para operarem como memórias quânticas," lembra Florez.

No entanto, isso ainda não era suficiente para dizer que os feixes estavam emaranhados. Além da intensidade, seria necessário que as fases dos feixes, relacionadas com a sincronização das ondas de luz, também apresentassem correlações quânticas. "Foi exatamente isso que realizamos neste novo estudo," conta o pesquisador.

A equipe havia recentemente obtido um entrelaçamento quântico triplo, com luzes coloridas.
[Imagem: Coelho et al.]

Entrelaçamento entre feixes de luz

Nesta nova demonstração, o entrelaçamento ocorre entre as amplitudes e as fases das ondas. E isso é fundamental em muitos protocolos para processar e transmitir informação quanticamente codificada.

"A partir do experimento [anterior], adicionamos novas etapas de detecção, que nos permitiram medir as correlações quânticas na amplitude e na fase dos campos gerados. E, dessa forma, demonstramos que esses apresentavam emaranhamento. Além disso, a técnica de detecção nos permitiu observar que a estrutura de emaranhamento é mais rica do que tipicamente seria caracterizada. Em vez de termos duas bandas espectrais vizinhas emaranhadas, obtivemos, na verdade, um sistema composto por quatro bandas espectrais emaranhadas," detalhou Florez.

Fontes de luz como esta também podem ser utilizadas em metrologia e até em aplicações médicas, por exemplo aumentando a sensibilidade de magnetômetros atômicos, que podem medir as ondas alfa emitidas pelo cérebro humano.

"As correlações quânticas de intensidade têm como consequência uma diminuição considerável das flutuações de intensidade, o que pode aumentar a sensibilidade dos sensores ópticos. É como estar em uma festa com todo mundo falando. Isso dificulta escutar alguém que se encontre no outro lado da sala. Porém, se o ruído diminuir a tal ponto que as pessoas fiquem em silêncio, poderemos ouvir o que diz essa pessoa distante," compara Florez.

O trabalho mostrou ainda uma vantagem adicional do OPO baseado em átomos de rubídio comparativamente aos OPOs baseados em cristais. "Nos OPOs com cristais, é necessário empregar espelhos que mantenham a luz dentro da cavidade por um intervalo de tempo mais longo, para que a interação produza os feixes com correlações quânticas. Porém, com o emprego de meios atômicos, nos quais a geração dos dois feixes é mais eficiente do que nos cristais, os espelhos não precisam manter a luz por tanto tempo," conta Florez.

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