Pesquisadores desvendam dimensões ocultas dentro de um único fóton
Físicos da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, juntamente com colegas da Universitat Autònoma de Barcelona, mostraram como a luz ao nível quântico pode ser deliberadamente moldada através do espaço e do tempo para produzir estados quânticos multidimensionais e de alta dimensão. Ao controlar cuidadosamente o padrão espacial, o tempo e o espectro de um fóton, a equipe pode projetar o que é conhecido como fótons estruturados. Essas partículas de luz personalizadas abrem novas possibilidades para comunicação quântica de alta capacidade e tecnologias quânticas de próxima geração.
Suas descobertas aparecem em uma revisão publicada em Fotônica da Naturezaque examina os rápidos avanços na criação, controle e medição da luz quântica estruturada. O artigo destaca um conjunto crescente de ferramentas poderosas, incluindo fotônica integrada no chip, óptica não linear e conversão de luz multiplano. Juntos, esses métodos estão transformando estados quânticos estruturados de conceitos de laboratório em sistemas práticos para imagens, detecção e redes quânticas.
Da caixa de ferramentas vazia ao controle quântico avançado
O professor Andrew Forbes, da Wits University, autor correspondente do estudo, diz que a transformação neste campo ao longo dos últimos 20 anos foi notável. “A adaptação de estados quânticos, onde a luz quântica é projetada para um propósito específico, ganhou ritmo ultimamente, finalmente começando a mostrar todo o seu potencial. Há vinte anos, o kit de ferramentas para isso estava praticamente vazio. Hoje temos fontes de luz quântica estruturada no chip que são compactas e eficientes, capazes de criar e controlar estados quânticos.”
Uma grande vantagem da modelagem de fótons é que ela permite aos pesquisadores usar alfabetos de codificação de alta dimensão. Em termos simples, cada fóton pode transportar mais informações e resistir à interferência de forma mais eficaz. Isso torna a luz quântica estruturada especialmente atraente para sistemas de comunicação quântica seguros.
Desafios na comunicação quântica de longa distância
Apesar do progresso, as condições do mundo real ainda apresentam obstáculos. Certos canais de comunicação não são adequados para fótons espacialmente estruturados, o que limita a distância que esses sinais podem percorrer em comparação com propriedades mais tradicionais, como a polarização. “Embora tenhamos feito progressos surpreendentes, ainda existem questões desafiadoras”, diz Forbes. “A distância alcançada com a luz estruturada, tanto clássica como quântica, permanece muito baixa… mas esta é também uma oportunidade, estimulando a procura de graus de liberdade mais abstratos para explorar.”
Para resolver esta limitação, os pesquisadores estão explorando maneiras de dar propriedades topológicas aos estados quânticos. Características topológicas podem tornar a informação quântica mais estável contra perturbações. “Mostrámos recentemente como as funções de onda quântica têm naturalmente o potencial de serem topológicas, e isto promete a preservação da informação quântica mesmo que o emaranhado seja frágil”, diz Forbes.
Emaranhamento Multidimensional e Aplicações Futuras
A revisão também descreve desenvolvimentos rápidos em emaranhamento multidimensional, estruturação temporal ultrarrápida, técnicas avançadas de detecção não linear e dispositivos compactos no chip que podem gerar ou processar luz quântica de dimensões mais altas do que nunca. Essas inovações estão abrindo caminho para imagens quânticas de alta resolução, ferramentas de medição extremamente precisas e redes quânticas capazes de transmitir mais dados através de múltiplos canais interconectados.
No geral, o campo parece estar chegando a um momento crucial. Os pesquisadores acreditam que a óptica quântica baseada em luz estruturada está preparada para um grande crescimento, com o futuro parecendo “muito brilhante” – mas é necessário trabalho adicional para aumentar a dimensionalidade, aumentar a produção de fótons e projetar estados quânticos que possam suportar ambientes ópticos realistas.
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