Cientistas da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, trabalhando com colaboradores da Universidade de Huzhou, descobriram uma característica surpreendente numa das ferramentas mais utilizadas em óptica quântica. Eles descobriram que os métodos padrão para gerar fótons emaranhados podem incorporar topologias nunca antes vistas. Nas suas experiências, estas estruturas atingiram um recorde de 48 dimensões e continham mais de 17.000 características topológicas diferentes, criando um vasto novo “alfabeto” para codificar informação quântica estável.
Na maioria dos laboratórios de óptica quântica, fótons emaranhados são produzidos usando uma técnica chamada conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC). Este processo cria naturalmente um emaranhado das propriedades espaciais da luz. Os pesquisadores descobriram que escondido dentro dessa estrutura espacial está um reino oculto de topologia de alta dimensão. Esses padrões complexos poderiam fornecer novas maneiras de armazenar e proteger informações, tornando potencialmente os sistemas quânticos mais resistentes ao ruído.
A equipe usou o momento angular orbital (OAM) da luz para demonstrar esse efeito, que pode variar desde casos bidimensionais simples até dimensões extremamente altas. Esta flexibilidade permite estruturas mais ricas do que as anteriormente reconhecidas.
A topologia é derivada de um único atributo
Os resultados da pesquisa foram publicados em comunicações da naturezamostram que a medição de OAM de dois fótons emaranhados revela uma topologia intrínseca que é uma característica fundamental do próprio emaranhamento. Como o OAM pode assumir uma gama infinita de valores, a topologia associada também pode ser estendida a dimensões muito elevadas.
“Relatamos um avanço significativo neste trabalho: precisamos apenas de uma propriedade da luz (OAM) para construir a topologia, enquanto se pensava anteriormente que eram necessárias pelo menos duas propriedades – normalmente OAM e polarização,” disse o professor Andrew Forbes da Escola de Física de Witwatersrand. “Acontece que, como o OAM é de alta dimensão, a topologia também é de alta dimensão, o que nos permite relatar a topologia mais alta já observada”.
Os pesquisadores também descobriram que uma vez que uma estrutura topológica excede duas dimensões, ela não pode mais ser descrita por um único número. Em vez disso, é necessária uma gama de valores topológicos que reflitam estruturas mais ricas e complexas do que os sistemas ópticos padrão.
Descobertas escondidas à vista de todos
Um dos aspectos mais notáveis desta inovação é a sua facilidade de uso. A maioria dos laboratórios de óptica quântica já possui os recursos necessários, o que significa que não são necessários equipamentos especializados ou “engenheiros quânticos” para explorar este efeito.
Pedro Ornelas explica: “Você obtém a topologia gratuitamente do emaranhado do espaço. Ela sempre esteve lá, bastava encontrá-la.”
Guiado pela teoria e confirmado por experimentos
O autor principal, Professor Robert de Mello Koch, da Universidade de Huzhou, disse que identificar essas estruturas não é simples. “Em dimensões superiores, não é tão óbvio onde procurar a topologia. Usamos conceitos abstratos da teoria quântica de campos para prever onde procurar e o que procurar – e descobrimos experimentalmente!”
Rumo a tecnologias quânticas mais poderosas
Embora o emaranhamento do momento angular orbital tenha sido amplamente explorado, ele é geralmente considerado frágil. Os pesquisadores agora sugerem que observá-lo através de lentes topológicas pode mudar essa visão. Aproveitando essas estruturas recém-descobertas, os cientistas poderão desenvolver sistemas quânticos mais confiáveis, abrindo a porta para aplicações práticas no mundo real.
