Os cientistas estão estudando cada vez mais o emaranhamento quântico, que ocorre quando dois ou mais sistemas são criados ou interagem de tal maneira que os estados quânticos de alguns não podem ser descritos independentemente dos estados quânticos dos outros. Os sistemas são correlacionados, mesmo quando separados por uma grande distância. O potencial significativo para aplicações em criptografia, comunicações e computação quântica estimula a pesquisa. A dificuldade é que, quando os sistemas interagem com o ambiente, eles quase imediatamente se desfazem.
No último estudo do Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz (LMCAL) do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP), os pesquisadores conseguiram desenvolver uma fonte de luz que produzia dois feixes de luz emaranhados. Seu trabalho é publicado na Physical Review Letters.
“Essa fonte de luz era um oscilador paramétrico óptico, ou OPO, que normalmente é feito de um cristal de resposta óptica não linear entre dois espelhos formando uma cavidade óptica. Quando um feixe verde brilhante brilha no aparelho, a dinâmica cristal-espelho produz dois feixes de luz com correlações quânticas”, disse o físico Hans Marin Florez, último autor do artigo.
O problema é que a luz emitida por OPOs baseados em cristais não consegue interagir com outros sistemas de interesse no contexto da informação quântica, como átomos frios, íons ou chips, já que seu comprimento de onda não é o mesmo dos sistemas em questão. “Nosso grupo mostrou em trabalhos anteriores que os próprios átomos poderiam ser usados como um meio em vez de um cristal. Portanto, produzimos o primeiro OPO baseado em átomos de rubídio, no qual dois feixes eram intensamente correlacionados quânticos, e obtivemos uma fonte que poderia interagir com outros sistemas com potencial para servir como memória quântica, como átomos frios”, disse Florez.
No entanto, isso não foi suficiente para mostrar que as vigas estavam emaranhadas. Além da intensidade, as fases dos feixes, que têm a ver com a sincronização da onda de luz, também precisavam exibir correlações quânticas. “Isso é precisamente o que conseguimos no novo estudo relatado na Physical Review Letters”, disse ele.
“Repetimos o mesmo experimento, mas adicionamos novas etapas de detecção que nos permitiram medir as correlações quânticas nas amplitudes e fases dos campos gerados. Como resultado, conseguimos mostrar que eles estavam emaranhados. Além disso, a técnica de detecção nos permitiu observe que a estrutura de emaranhamento era mais rica do que normalmente seria caracterizada. Em vez de duas bandas adjacentes do espectro serem emaranhadas, o que realmente produzimos foi um sistema compreendendo quatro bandas espectrais emaranhadas.”
Neste caso, as amplitudes e fases das ondas foram emaranhadas. Isso é fundamental em muitos protocolos para processar e transmitir informações codificadas quânticas. Além dessas possíveis aplicações, esse tipo de fonte de luz também pode ser usado em metrologia. “As correlações quânticas de intensidade resultam em uma redução considerável das flutuações de intensidade, o que pode aumentar a sensibilidade dos sensores ópticos”, disse Florez. “Imagine uma festa onde todos estão conversando e você não consegue ouvir alguém do outro lado da sala. Se o barulho diminuir o suficiente, se todos pararem de falar, você consegue ouvir o que alguém fala de uma boa distância.”
Aumentar a sensibilidade dos magnetômetros atômicos usados para medir as ondas alfa emitidas pelo cérebro humano é uma das aplicações potenciais, acrescentou.
O artigo também observa uma vantagem adicional dos OPOs de rubídio sobre os OPOs de cristal. “Os OPOs de cristal precisam ter espelhos que retenham a luz dentro da cavidade por mais tempo, para que a interação produza feixes quânticos correlacionados, enquanto o uso de um meio atômico em que os dois feixes são produzidos de forma mais eficiente do que com cristais evita a necessidade de espelhos aprisionar a luz por tanto tempo”, disse Florez.
Antes de seu grupo conduzir este estudo, outros grupos tentaram fazer OPOs com átomos, mas falharam em demonstrar correlações quânticas nos feixes de luz produzidos. O novo experimento mostrou que não havia limite intrínseco no sistema para evitar que isso acontecesse. “Descobrimos que a temperatura dos átomos é fundamental para a observação de correlações quânticas. Aparentemente, os outros estudos usaram temperaturas mais altas que impediram os pesquisadores de observar correlações”, disse ele.
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