Emaranhamento quântico de fótons é observado em tempo real

dayllon agosto 24, 2023 5 min read

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Resultado que levava dias demorou apenas minutos ou segundos e poderá ajudar a melhorar a comunicação quântica e a criação de técnicas de imagem quântica

Em um estudo conduzido por pesquisadores da Universidade de Ottawa, no Canadá, e da Universidade Sapienza, em Roma, foi criado um novo método que permite visualizar a função de onda de fótons emaranhados em tempo real. Durante um dos testes, os cientistas criaram um estado quântico com o formato do clássico símbolo Yin Yang, uma popular figura do taoismo sobre a dualidade das forças fundamentais.

De acordo com um estudo publicado na revista científica Nature Photonics, os cientistas conseguiram visualizar a função de onda de fótons emaranhados em tempo real. A partir da técnica inovadora, eles sobrepuseram fótons emaranhados quânticos até criarem um fenômeno conhecido como “imagem de coincidência”; foi nesse momento que o “Yin Yang” surgiu, assim como outros formatos curiosos.

O que é o emaranhamento quântico?

O conceito pode ser comparado a escolher um sapato. Quando você observa um calçado, a natureza do outro par (seja o esquerdo ou o direito) já é conhecida, independentemente de onde esse objeto esteja no universo. Por exemplo, quando você enxerga um único pé de All Star vermelho, você já sabe como seria o outro, mesmo que ele esteja perdido em algum outro lugar da loja de tênis.

A função de onda, um princípio central da mecânica quântica, fornece uma compreensão abrangente do estado quântico de uma partícula. Isso permite que os cientistas prevejam os resultados prováveis de várias medições em uma entidade quântica: por exemplo, posição, velocidade etc. No exemplo do sapato, a função de onda seriam informações como tamanho, cor, e assim por diante.

**Pesquisadores observaram em tempo real o emaranhamento quântico de dois fótons** Universidade de Ottawa

Os estados quânticos usados na computação quântica são extremamente complexos, envolvendo muitas entidades que podem exibir fortes correlações não locais (emaranhamento). Apesar dessa complexidade, conhecer a função de onda de tal sistema quântico é muito importante, pois sua capacidade preditiva é inestimável, especialmente no campo da tecnologia quântica, em que conhecer um estado quântico gerado ou inserido em um computador quântico permitirá testar o próprio computador.

O conhecimento sobre a função de onda é chamado de tomografia de estado quântico ou tomografia quântica. Existem várias abordagens para isso. Uma delas é a medição objetiva, que é como olhar para as sombras de um objeto de alta dimensão projetado em diferentes paredes de direções independentes. Tudo o que um pesquisador pode ver são as sombras e, a partir delas, pode inferir a forma (estado) do objeto completo.

Já na tomografia computadorizada, as informações de um objeto 3D podem ser reconstruídas a partir de imagens 2D. Por outro lado, na óptica clássica, esse item tridimensional é reconstruído por uma holografia digital baseada em uma única imagem, chamada interferograma, obtida pela interferência da luz espalhada pelo objeto com uma luz de referência.

O Experimento

Para reconstruírem o estado dos fótons, os cientistas precisavam sobrepô-los com um estado quântico presumivelmente conhecido e, em seguida, analisar a distribuição espacial das posições onde ambas as partículas chegam simultaneamente. A imagem dessa chegada simultânea é chamada de imagem de coincidência.

A) Imagem de coincidência de interferência entre um estado de referência e um estado obtido por um feixe de bomba com a forma de um símbolo Ying e Yang B) Amplitude reconstruída e estrutura de fase da imagem impressa na bomba desconhecida — Foto: ,Alessio D’Errico et al

Segundo a mecânica quântica, a fonte dos fótons não pode ser identificada. Isso resulta em um padrão de interferência que pode ser usado para reconstruir a função de onda dessas partículas. Assim, os cientistas observaram o emaranhamento quântico, contando ainda com a ajuda de uma câmera avançada que registra eventos com resolução de nanossegundos em cada pixel.

A pesquisa resultou em uma caracterização do estado quântico mais eficiente (mais rápida em três ordens de grandeza) e confiável (uma fidelidade média de 87%), em comparação com experimentos realizados anteriormente. Isso poderá ajudar a melhorar a comunicação quântica e o desenvolvimento de novas técnicas de imagem quântica.

“Este método é exponencialmente mais rápido do que as técnicas anteriores, exigindo apenas minutos ou segundos em vez de dias. É importante ressaltar que o tempo de detecção não é influenciado pela complexidade do sistema — uma solução para o desafio de longa data de escalabilidade na tomografia projetiva”, disse o pós-doutorando na Universidade de Ottawa e um dos autores do artigo, Dr. Alessio D’Errico.

Emaranhamento quântico de fótons em tempo real

Ao sobrepor os fótons emaranhados em um estado quântico, os pesquisadores observaram em tempo real que os fótons chegaram simultaneamente em ‘ambos os lados’. A descoberta só foi possível por conta de uma câmera com tecnologia de ponta que capturou a chegada sincronizada dos fótons.

A partir dos dados, os cientistas conseguiram observar a função da onda de uma partícula, que contém informações sobre a posição, velocidade, rotação e outras propriedades quânticas do emaranhado.

O emaranhamento quântico já foi observado em alguns experimentos, mas ainda desafia a compreensão dos cientistas sobre a física convencional, pois ultrapassa o limite fundamental da velocidade de transferência de informações proposto na Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein. Além de Einstein, os cientistas Boris Podolsky e Nathan Rosen também desafiaram o conceito e afirmaram que ‘faltava algo’ na mecânica quântica para oferecer uma melhor visão sobre o emaranhamento quântico.

“Os resultados experimentais mostraram como, a partir de uma única medição, é possível recuperar, em pós-processamento, uma grande quantidade de informações sobre um estado espacial de dois fótons, incluindo correlações em diferentes graus de liberdade, emaranhamento e decomposição de modo espacial em condições arbitrárias bases”, descreve a conclusão do estudo.

Fonte: Revista Galileu