Cientistas do Canadá e da Itália desenvolveram uma técnica inovadora que permite a observação direta e em tempo real da função de onda de dois fótons entrelaçados, as minúsculas partículas que compõem a luz. O entrelaçamento quântico, um fenômeno enigmático que outrora desagradava Albert Einstein, a quem ele se referia como “ação fantasmagórica à distância”, agora serve como base para o funcionamento de diversas tecnologias quânticas, que vão desde sensores até simuladores, além de ser essencial para os computadores quânticos.

(Créditos da Imagem: Danilo Zia)
Quando dois fótons estão entrelaçados, qualquer modificação em um deles afeta instantaneamente o outro, independentemente da distância que os separa. Isso possibilita realizar cálculos de maneira significativamente mais rápida do que por meio de um computador clássico, fenômeno conhecido pelos físicos como “interação não-local”. Além disso, o entrelaçamento desempenha um papel fundamental no teletransporte quântico, um processo que permite transferir informações de um qubit para outro sem mover a própria partícula que contém essas informações.
Embora em 2018 uma equipe finlandesa tenha conseguido tornar visível o entrelaçamento quântico, eles o fizeram usando objetos macroscópicos visíveis a olho nu. A conquista recente da equipe de cientistas vai além, capturando a essência da mecânica quântica ao fotografar a função de onda dos fótons, um feito ainda mais fundamental. Não apenas registraram a função de onda quântica, mas também a função de onda entrelaçada, unindo duas das peculiaridades mais extraordinárias da mecânica quântica em uma única imagem.
Certamente, na física quântica, os blocos básicos da nossa realidade podem ser interpretados de duas maneiras distintas: como partículas ou como ondas. No segundo caso, não estamos lidando com minúsculas “bolinhas” microscópicas, mas sim com uma entidade abstrata conhecida como função de onda. Essa função de onda é, de maneira intrigante, uma representação matemática que descreve o comportamento da partícula em questão. De fato, é um fenômeno real, uma espécie de manifestação física da matemática em si.
Para ser mais preciso, a função de onda nos capacita a fazer previsões sobre os resultados prováveis de diversas medições que podem ser realizadas em uma “partícula”, como sua posição, velocidade e assim por diante. Essa habilidade de previsão é inestimável em várias tecnologias quânticas, pois o conhecimento de um estado quântico, que pode ser gerado ou introduzido em um computador quântico, permite testar o próprio funcionamento do computador. Além disso, os estados quânticos empregados na computação quântica são notavelmente complexos e frequentemente envolvem muitas entidades que podem exibir correlações extremamente fortes e não locais, um fenômeno conhecido como entrelaçamento.
Hoje em dia, a determinação da função de onda de um sistema requer o uso de uma técnica chamada tomografia quântica, que implica uma série de medições e uma crescente complexidade. Uma única caracterização completa pode levar horas ou até mesmo dias para ser realizada. Isso, naturalmente, aumenta a incerteza nos resultados, pois eles podem ser influenciados por ruídos e pela intrincada natureza multidimensional do sistema sendo estudado.
A tomografia quântica pode ser comparada à observação das sombras de um objeto multidimensional projetado em diferentes paredes a partir de direções independentes. Tudo o que o observador pode acessar são essas sombras, e com base nelas, ele deve deduzir a forma ou o estado completo do objeto. Para ilustrar isso, podemos fazer uma analogia com a tomografia computadorizada, onde as informações de um objeto tridimensional são reconstruídas a partir de um conjunto de imagens bidimensionais.

(Créditos da Imagem: Danilo Zia)
Holografia Digital: Revelando a Complexidade Quântica
No campo da óptica clássica, existe uma abordagem alternativa para reconstruir objetos tridimensionais por meio da holografia digital. Essa técnica se baseia no registro de uma única imagem, conhecida como interferograma, que é produzida pela interferência entre a luz que se dispersa do objeto em análise e uma fonte de luz de referência.
Recentemente, Danilo Zia e seus colegas das universidades de Ottawa e Sapienza de Roma estenderam essa concepção, mas com uma reviravolta intrigante: eles aplicaram a holografia digital não a um feixe de luz, mas a apenas dois fótons. Como resultado, a imagem gerada pela holografia digital não apenas revela a função de onda desses dois fótons, mas também documenta o fenômeno da entrelaçamento quântico que ocorre entre eles.
A reconstrução do estado de bifóton envolve a sobreposição desse estado quântico com outro já conhecido e, em seguida, a análise da distribuição espacial das posições onde ambos os fótons chegam simultaneamente. Esse registro da chegada simultânea de dois fótons é conhecido como imagem de coincidência. É importante destacar que a mecânica quântica estabelece que a fonte dos fótons não pode ser identificada, o que resulta em um padrão de interferência que pode ser usado para reconstruir a função de onda desconhecida.
O sucesso desse experimento foi viabilizado graças ao uso de uma câmera avançada capaz de registrar eventos com resolução de nanossegundos para cada pixel.
Alessio D’Errico, membro da equipe, enfatizou a importância desse método ao afirmar: “Este método é exponencialmente mais rápido do que as técnicas anteriores, exigindo apenas minutos ou segundos, em oposição a dias de medição. É crucial notar que o tempo de detecção não é afetado pela complexidade do sistema, o que representa uma solução significativa para o desafio de escalabilidade na tomografia projetiva.”
A rapidez e precisão dessa técnica têm implicações que transcendem o âmbito da pesquisa acadêmica, oferecendo potencial para impulsionar avanços na tecnologia quântica, incluindo melhorias na leitura de qubits, detecção de substâncias, comunicação quântica e o desenvolvimento de novas técnicas de imagem.
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