Físicos manipularam a 'luz quântica' pela primeira vez, em um grande avanço: WebCuriosos

Pela primeira vez, uma equipa internacional de físicos manipulou com sucesso um pequeno número de partículas de luz – conhecidas como fotões – que têm uma forte relação entre si.

Isso pode parecer um pouco obscuro, mas euÉ um avanço fundamental no domínio quântico que pode levar a uma tecnologia com a qual atualmente nem podemos sonhar. Imagine lasers, mas com sensibilidade quântica, para imagens médicas.

“Isso abre a porta para a manipulação do que podemos chamar de ‘luz quântica’”, diz o físico Sahand Mahmoodian da Universidade de Sydney.

“Esta ciência fundamental abre o caminho para avanços em técnicas de medição quântica aprimoradas e na computação quântica fotônica.”

Embora os físicos estejam se tornando muito bons no controle de átomos emaranhados quânticos, tem se mostrado muito mais desafiador conseguir o mesmo com a luz.

Neste novo experimento, uma equipe da Universidade de Sydney e da Universidade de Basileia, na Suíça, disparou um único fóton e um par de fótons ligados a uma velocidade ponto quântico (um átomo criado artificialmente) e poderia medir um atraso de tempo direto entre o fóton sozinho e aqueles que estavam ligados.

“O dispositivo que construímos induziu interações tão fortes entre os fótons que fomos capazes de observar a diferença entre um fóton interagindo com ele em comparação com dois”, diz a física Natasha Tommco-autor principal, da Universidade de Basileia.

“Observamos que um fóton foi atrasado por mais tempo em comparação com dois fótons. Com essa interação fóton-fóton realmente forte, os dois fótons ficam emaranhados na forma do que é chamado de estado ligado de dois fótons.”

Eles configuraram esse estado vinculado usando emissão estimulada – um fenômeno descrito pela primeira vez por Albert Einstein em 1916 e que constitui a base dos lasers modernos. (Curiosidade: laser significa Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação.)

Dentro de um laser, uma corrente elétrica ou fonte de luz é usada para exagere nos elétrons dentro dos átomos de um material óptico, como vidro ou cristal.

Essa excitação empurra os elétrons para uma órbita no núcleo de seu átomo. E quando voltam ao seu estado normal, emitem energia na forma de fótons. Estas são as emissões “estimuladas” e este processo significa que todos os fotões resultantes têm comprimentos de onda idênticos, ao contrário da luz branca normal, que é uma mistura de diferentes frequências (cores).

Um espelho é então usado para devolver os fótons novos e antigos de volta aos átomos, estimulando a produção de mais fótons idênticos.

Esses fótons se movem em uníssono, viajando com a mesma velocidade e direção, e se acumulam até que eventualmente ultrapassam os espelhos e o meio óptico e se libertam em um feixe de luz perfeitamente sincronizado que pode permanecer nitidamente focado em longas distâncias.

Tudo isso ocorre em milissegundos quando você aperta o botão do ponteiro laser (obrigado, Einstein).

Este tipo de interação interessante entre luz e matéria é a base para todos os tipos de tecnologia incrível, como GPS, computadores, imagens médicas e redes globais de comunicações. Até mesmo o LIGO, o observatório de ondas gravitacionais com interferômetro a laser que detectou ondas gravitacionais pela primeira vez em 2015, é baseado em lasers.

Mas toda esta tecnologia ainda requer muitos fotões, o que limita a sua sensibilidade.

A nova descoberta conseguiu agora a emissão e detecção estimuladas de fotões únicos, bem como de pequenos grupos de fotões de um único átomo, levando-os a tornarem-se fortemente correlacionados – por outras palavras, “luz quântica”. E isso é um grande passo em frente.

“Ao demonstrar que podemos identificar e manipular estados ligados a fótons, demos um primeiro passo vital no sentido de aproveitar a luz quântica para uso prático”, diz Mahmoodian.

Os próximos passos, ela explicadevem usar a abordagem para gerar estados de luz que podem criar computadores quânticos melhores.

“Esta experiência é bela, não só porque valida um efeito fundamental – a emissão estimulada – no seu limite máximo, mas também representa um enorme passo tecnológico em direcção a aplicações avançadas,” acrescenta Tomm.

“Podemos aplicar os mesmos princípios para desenvolver dispositivos mais eficientes que nos forneçam estados ligados a fótons. Isto é muito promissor para aplicações em uma ampla gama de áreas: desde biologia até fabricação avançada e processamento de informações quânticas.”

A pesquisa foi publicada em Física da Natureza.