Uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo cientistas da Universidade do Alabama, descobriu Fotônica da Natureza Pesquise um campo em rápido crescimento chamado luz estruturada quântica. Esta abordagem está a remodelar a forma como a informação é transmitida, medida e processada, combinando a ciência da informação quântica com padrões de luz cuidadosamente concebidos no espaço e no tempo. O resultado é que os fótons podem transportar mais informações do que antes.
Os pesquisadores descrevem como controlar simultaneamente múltiplas propriedades da luz, incluindo polarização, padrões espaciais e frequência, tornando possível criar estados quânticos de dimensões superiores. Nesta estrutura, qubits padrão (duas dimensões, onde os fótons estão na superposição de dois estados quânticos) são substituídos por qubits (mais de duas dimensões). Esta transformação expandiu enormemente as capacidades dos sistemas quânticos e abriu novos caminhos em muitos campos da ciência e da tecnologia.
Nas comunicações quânticas, esses fótons de dimensões superiores aumentam a segurança ao empacotar mais informações em cada partícula de luz. Eles também permitem que vários canais de comunicação operem simultaneamente, aumentando a tolerância a erros e ruídos de fundo. Para a computação quântica, a luz estruturada pode simplificar o projeto de circuitos e acelerar o processamento, ao mesmo tempo que permite a criação de estados quânticos complexos necessários para simulações avançadas.
Avanços na pesquisa de imagens, detecção e materiais
A luz quântica estruturada também está impulsionando avanços em imagens e medições. Os pesquisadores apontam para melhorias na tecnologia de resolução, como o microscópio quântico holográfico recentemente desenvolvido, que pode adquirir imagens requintadas de amostras biológicas, e sensores extremamente sensíveis que dependem de correlações quânticas. Além dessas aplicações, a luz estruturada pode ser usada para simular sistemas quânticos complexos, ajudando os cientistas a simular como as moléculas interagem dentro das redes e potencialmente orientar a descoberta de novos materiais.
Duas décadas de rápido progresso
O autor correspondente, Professor Andrew Forbes, da Universidade de Witwatersrand, em Joanesburgo, disse que o campo mudou drasticamente nos últimos 20 anos. “A personalização de estados quânticos, onde a luz quântica é projetada para um propósito específico, acelerou recentemente e está finalmente começando a demonstrar todo o seu potencial. Há vinte anos, o kit de ferramentas para isso estava quase vazio. Hoje, temos fontes de luz estruturadas quânticas compactas e eficientes no chip, capazes de criar e controlar estados quânticos.”
Apesar da dinâmica, os desafios permanecem. “Apesar do nosso incrível progresso, persistem problemas desafiadores”, disse Forbes. “As distâncias da luz estruturada, seja clássica ou quântica, ainda são muito baixas, mas esta é também uma oportunidade para estimular a exploração de graus de liberdade mais abstratos.”
Da curiosidade científica à ferramenta prática
Adam Vallés, pesquisador do Grupo de Óptica do Departamento de Física da Universidade do Alabama, disse que o campo atingiu um momento crítico. “Estamos em um ponto de inflexão: a luz estruturada quântica não é mais apenas uma curiosidade científica, mas uma ferramenta com potencial real para transformar comunicações, computação e processamento de imagens.” Vallés enfatizou que a UAB deu uma grande contribuição para este avanço através de sua colaboração com a Forbes, citando “avanços com enorme impacto internacional, como o teletransporte estimulado de informações quânticas codificadas em altas dimensões, o projeto de cavidades de laser para gerar estados complexos de alta pureza e, no campo da criptografia, a distribuição de chaves quânticas fortes diante de obstáculos que bloqueiam os canais de comunicação”.
Cooperação global apoiada pela Catalunha
Este artigo de opinião foi selecionado como matéria de capa da edição de novembro de 2025 Fotônica da Naturezarefletindo a parceria de longo prazo de Vallés com o grupo de pesquisa de luz estruturada da Escola de Física da Universidade de Witwatersrand em Joanesburgo, África do Sul, liderado pela Forbes. Este trabalho também foi apoiado pela Catalan Quantum Academy (CQA), uma iniciativa colaborativa coordenada pelo Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) e promovida pelo governo catalão que visa fortalecer a educação e o desenvolvimento de talentos em ciência e tecnologia quântica em toda a região.
