Fótons torcidos podem turbinar as comunicações quânticas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/09/2022

Indo além da já tradicional luz torcida, agora é possível torcer fótons individuais, o que permite colocar um número teoricamente infinito de valores em cada um.
[Imagem: Stevens Institute of Technology]

Mais informações por fóton

Físicos descobriram um método para codificar muito mais informações em um único fóton do que é possível hoje, abrindo as portas para ferramentas de comunicação e criptografia quânticas e processadores baseados em luz ainda mais rápidos e poderosos.

Computadores quânticos, dispositivos de comunicação óptica e circuitos fotônicos codificam informações em fótons individuais ou em fótons entrelaçados, permitindo que os dados sejam transmitidos exponencialmente mais rápido do que é possível com a eletrônica convencional e manipulados com segurança quântica.

Todas essas vantagens agora ganharam um adicional: Cada fóton poderá carregar mais informações do que é possível hoje.

Os sistemas de comunicação e computação quânticas tipicamente "escrevem" informações no momento angular de um fóton (sua rotação, ou spin). Nesse caso, os fótons realizam uma rotação circular à direita ou à esquerda ou formam uma superposição quântica dos dois, conhecida como qubit bidimensional.

Também é possível codificar informações no momento angular orbital de um fóton, o caminho em forma de saca-rolhas que a luz segue enquanto gira e avança, com cada fóton circulando em torno do centro do feixe de luz. Quando o spin e o momento angular se interligam, forma-se um qubit de alta dimensão, conhecido como qudit, permitindo que qualquer um de uma faixa teoricamente infinita de valores seja codificado e propagado por um único fóton.

Aqui não é um feixe de luz torcida, mas um único fóton.
[Imagem: Yichen Ma et al. - 10.1364/OPTICA.463481]

Fótons torcidos

Agora, Yichen Ma e colegas do Instituto de Tecnologia Stevens, nos EUA, demonstraram que é possível misturar as duas propriedades, criando o que eles chamam de "fótons torcidos", que podem ser criados sob demanda e controlados.

"Normalmente, o momento angular do spin e o momento angular orbital são propriedades independentes de um fóton. Nosso dispositivo é o primeiro a demonstrar o controle simultâneo de ambas as propriedades através do acoplamento controlado entre os dois," disse Ma.

Um detalhe importante é que a equipe conseguiu isto trabalhando com fótons individuais, que são entidades inteiramente regidas pela mecânica quântica, e não com feixes de luz clássicos - a luz torcida é conhecida há algum tempo, já tendo sido usada dentro de chips fotônicos, e com promessas de acabar com os limites na transmissão de dados.

A expectativa é que os fótons torcidos aumentem a largura de banda das ferramentas de comunicação quântica, permitindo que mais dados sejam transmitidos mais rapidamente, tudo sem perder a segurança garantida pela criptografia quântica.

O segredo para torcer os fótons está nos dentes do ressonador em anel.
[Imagem: Yichen Ma et al. - 10.1364/OPTICA.463481]

Como torcer fótons

Para criar fótons torcidos, a equipe usou um filme de disseleneto de tungstênio com a espessura de um átomo, um material semicondutor emergente capaz de emitir fótons únicos.

Em seguida, eles acoplaram esse emissor de fótons em um espaço internamente reflexivo em forma de rosquinha, chamado ressonador em anel, com o detalhe que esse anel é denteado, parecido com uma engrenagem. A chave para controlar a interação entre o spin do fóton e seu momento angular orbital está no projeto cuidadoso dos dentes da engrenagem, que faz a luz literalmente torcer sobre si mesma.

Devido aos dentes, em vez de um feixe contínuo, a saída do ressonador dispara fótons torcidos individuais sob demanda.

Tudo isso cabe dentro de um chip medindo 20 micrômetros, pronto para interfacear com outros componentes padronizados, como parte de um sistema de comunicações quânticas.

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