Um estudo recente investiga o campo da óptica quântica, revolucionando nossa compreensão da luz e suas interações, revelando insights surpreendentes sobre as interações até mesmo de partículas de luz individuais com átomos individuais. Quando a luz, composta por essas partículas de luz, viaja pelo espaço, ela viaja à velocidade da luz. No entanto, esta velocidade pode variar quando a luz viaja através de diferentes materiais. Essa alteração é atribuída ao índice de refração, que explica a interação entre a luz e o material. Ao explorar como as partículas de luz individuais interagem com átomos de dois níveis, esta pesquisa lança luz sobre o comportamento das partículas de luz e abre novos caminhos para a comunicação quântica de longa distância.
Num estudo inovador, os professores Yuri Rostovtsev, Jacob Emerick e Anil Patnaik da Universidade do Norte do Texas e do Instituto de Tecnologia da Força Aérea fizeram progressos significativos na interação da luz e dos átomos. O estudo deles, publicado na revista Optical Results, explora a interação de partículas de luz individuais com átomos individuais, um fenômeno chave no desenvolvimento de comunicações quânticas de longa distância.
Esta pesquisa concentra-se em conceitos fundamentais de como a luz e os átomos interagem, especificamente como a luz se comporta quando interage com átomos individuais. Compreender esta interação é crucial para controlar a luz em sistemas de comunicação quântica. Esta investigação destaca como a luz, mesmo ao nível das partículas e átomos de luz individuais, muda o seu caminho e propriedades, o que é crucial para a transmissão de informação quântica a longas distâncias.
Um aspecto fundamental desta pesquisa é calcular as diferentes velocidades com que as partículas de luz viajam e a rapidez com que transportam a informação, afetando assim a forma como a informação quântica é transmitida e processada. Simplificando, essas velocidades determinam a taxa na qual a informação transportada pelas partículas de luz viaja e é processada num sistema quântico.
O professor Yuri Rostovtsev explica: “Demonstramos que mudanças no caminho de uma única partícula de luz, causadas por um único átomo, podem ser detectadas usando um interferômetro Mach-Zehnder. Este método nos permite introduzir o índice de refração de uma única partícula de luz, que tem uma ampla gama de aplicações no campo quântico: desde informação quântica, computação quântica até imagem e microscopia aprimorada e comunicações quânticas de longa distância”.
Sua descoberta usando um interferômetro Mach-Zehnder, que mostra mudanças no caminho de uma única partícula de luz causada por um único átomo, é um grande avanço na compreensão de como o índice de refração, normalmente aplicado na óptica clássica, funciona no reino quântico. Essas descobertas têm uma ampla gama de aplicações práticas, que vão desde a computação quântica até o aprimoramento das capacidades de dispositivos como microscópios e comunicações quânticas de longa distância.
Além disso, o professor Rostovtsev enfatiza: “Devido à interação com os átomos, o caminho das partículas de luz que se propagam nos braços atômicos sofre uma mudança adicional. Essa mudança altera o equilíbrio do interferômetro MZ e afeta a probabilidade de uma partícula de luz aparecer no caminho 1. A chance de encontrar uma partícula de luz no braço vazio de um interferômetro ZM balanceado é afetada. Ao alterar a desafinação da ressonância atômica, observamos como as mudanças no caminho obtido dependem da desafinação, demonstrando um comportamento de mudança de caminho semelhante ao comportamento clássico da luz”.
Tomados em conjunto, o trabalho de Rostovtsev, Emerick e Patnaik fornece informações importantes sobre as interações entre partículas de luz individuais e átomos, melhora a nossa compreensão da interação da luz e dos átomos e estabelece uma base sólida para avanços futuros na tecnologia de comunicação quântica.
Referência do diário
Yuri Rostovtsev, Jacob Emerick, Anil Patnaik, “Índice de refração de um único átomo experimentado por um único fóton”, Resultados Ópticos, 2023. DOI: 10.1016/j.rio.2023.100568
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Imagem cortesia da École Polytechnique Toque rapidamente.
Sobre o autor
Doutor Yuri Rostovtsev é professor de física na Universidade do Norte do Texas em Denton, Texas, EUA, conhecido por suas contribuições aos efeitos de coerência quântica em uma variedade de meios, desde gases e sólidos atômicos e moleculares até núcleos atômicos. Ele recebeu seu mestrado pelo Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, Rússia, em 1983, e seu doutorado pelo Instituto de Física Aplicada, Academia Russa de Ciências, Nizhny Novgorod, Rússia, em 1991. Mais tarde, trabalhou no Instituto de Física Aplicada, Academia Chinesa de Ciências. academia russa de ciências Desde 1983. Em 2009, o Dr. Rostovtsev foi transferido para a Universidade do Norte do Texas, onde atualmente trabalha no Departamento de Física e no Centro de Ciências Não Lineares.
Yuri Rostovtsev publicou mais de 200 artigos em periódicos citados e seus interesses de pesquisa estão em física atômica e molecular, espectroscopia a laser, espectroscopia Raman, física a laser, óptica quântica e não linear, lasers de elétrons livres, termodinâmica quântica, informação quântica, computadores quânticos, nanoplasmônica, nanofotônica, nanomateriais, super-resolução, excitações e fenômenos coletivos e cooperativos. Ele é um membro sênior da organização Sociedade óptica da América. Rostovtsev recebeu o prêmio Medalha da Associação Internacional de Materiais Avançados (IAAM) de 2019 e o Fulbright Scholar 2021-2022 (Bolsa Fulbright da Sérvia).
Jacob Emerick é estudante de pós-graduação na University of North Texas, Denton, Texas, EUA. Ele realiza pesquisas na área de óptica quântica e não linear, estudando efeitos de coerência quântica em diversos meios. Ele recebeu seu diploma de bacharel em ciências pela Baylor University em 2015. Em 2018, o Sr. Emerick foi admitido no programa de pós-graduação da University of North Texas e obteve com sucesso seu mestrado em 2021. Atualmente, ele está ativamente envolvido em pesquisas no Departamento de Física e no Centro de Ciências Não Lineares, trabalhando para aprimorar o conhecimento nessas áreas.
Dr. Anil Patnaik Ele é um especialista na teoria e nos experimentos de interações fundamentais entre laser e matéria e suas aplicações nos campos clássico e quântico. Ele recebeu seu mestrado em Física (com especialização em “Física do Estado Sólido”) pela Universidade Utkal, Bhubaneswar, Índia, em 1995, e seu doutorado pelo Laboratório de Pesquisa Física, Ministério do Espaço Indiano, em 2001 com uma tese intitulada: “Novos fenômenos ópticos devido a campos externos”. Dr. Patnaik atuou como pós-doutorado JSPS na Universidade de Eletrônica e Comunicações, Tóquio, Japão, de 2001 a 2003, e como pós-doutorado na Texas A&M University (College Station, Texas) de 2003 a 2005.
Dr. Anil Patnaik é professor associado de física no Instituto de Tecnologia da Força Aérea (AFIT). Suas áreas de especialização incluem óptica quântica e informação quântica e os amplos tópicos de diversas aplicações de interação luz-matéria. Ele conduziu extensas pesquisas nas áreas de óptica quântica, óptica não linear e suas aplicações, e publicou 50 publicações em periódicos altamente citados, 7 capítulos de livros e aproximadamente 200 palestras e palestras convidadas. Entre outras publicações, ele é autor de duas extensas análises sobre aplicações de detecção óptica. Uma delas se tornou uma das revisões mais citadas e alcançou o status de 1% dos artigos de periódicos de engenharia mais citados na Web of Science. Dr. Patnaik recebeu seu Ph.D. em óptica quântica. Ele ocupou vários cargos acadêmicos e de visitante em instituições de prestígio, como a Universidade de Princeton, a Universidade Texas A&M, a Universidade de Purdue e o Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, Alemanha. Recentemente, o Dr. Patnaik recebeu o prêmio AFIT Distinguished Teaching Professor. Ele atua em várias sociedades profissionais, incluindo a American Physical Society, a Optica (anteriormente Optical Society of America) e o American Institute of Aeronautics and Astronautics.
