Físicos da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, juntamente com colegas da Universidade Autônoma de Barcelona, mostraram como a luz pode ser moldada intencionalmente no espaço e no tempo no nível quântico para produzir estados quânticos elevados e multidimensionais. Ao controlar cuidadosamente o padrão espacial, o tempo e o espectro dos fótons, a equipe pode projetar os chamados fótons estruturados. Essas partículas de luz personalizadas abrem novas possibilidades para comunicações quânticas de alta capacidade e tecnologias quânticas de próxima geração.
Suas descobertas foram publicadas em um comentário Fotônica da Naturezaque examina o rápido progresso na criação, controle e medição da luz quântica estruturada. O artigo destaca um conjunto crescente de ferramentas poderosas, incluindo fotônica integrada no chip, óptica não linear e conversão de luz multiplano. Juntos, esses métodos transformam estados quânticos estruturados de conceitos de laboratório em sistemas práticos para imagens, detecção e redes quânticas.
Da caixa de ferramentas vazia ao controle quântico avançado
O autor correspondente do estudo, professor Andrew Forbes, da Universidade de Witwatersrand, disse que a transformação no campo nos últimos 20 anos foi notável. “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.”
Uma grande vantagem da modelagem de fótons é que ela permite aos pesquisadores trabalhar com alfabetos de codificação de alta dimensão. Simplificando, cada fóton pode transportar mais informações e resistir à interferência de forma mais eficaz. Isto torna a luz quântica estruturada particularmente atraente para sistemas de comunicação quântica seguros.
O desafio da comunicação quântica de longa distância
Apesar do progresso, as condições do mundo real ainda colocam obstáculos. Alguns canais de comunicação não são adequados para fótons espacialmente estruturados, o que limita a distância que esses sinais podem percorrer em comparação com propriedades mais tradicionais, como a polarização. “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 que estimula a exploração de graus de liberdade mais abstratos.”
Para contornar essa limitação, os pesquisadores estão explorando maneiras de dar propriedades topológicas aos estados quânticos. Recursos topológicos podem tornar a informação quântica mais estável contra interferências. “Recentemente mostramos como as funções de ondas quânticas têm naturalmente o potencial de serem topológicas, garantindo a preservação da informação quântica mesmo quando o emaranhamento é frágil”, disse Forbes.
Emaranhamento multidimensional e aplicações futuras
A revisão também descreve o rápido desenvolvimento de emaranhamento multidimensional, estruturas temporais ultrarrápidas, técnicas avançadas de detecção não linear e dispositivos compactos no chip que podem gerar ou processar luz quântica de dimensões mais altas do que nunca. Essas inovações abrem caminho para imagens quânticas de alta resolução, ferramentas de medição extremamente precisas e redes quânticas que podem transmitir mais dados por meio de múltiplos canais de interconexão.
No geral, o campo parece estar em um momento crítico. Os pesquisadores acreditam que a óptica quântica baseada em luz estruturada deverá crescer significativamente e o futuro parece “realmente muito brilhante”, mas mais trabalho precisa ser feito para aumentar as dimensões, melhorar a produção de fótons e projetar estados quânticos que possam suportar ambientes ópticos do mundo real.
