Trabalho realizado na USP obtém emaranhamento de feixes de luz

Esse tipo de fenômeno poderá ter aplicações em criptografia, comunicação e computação quânticas

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – O emaranhamento vem sendo objeto de um intenso esforço de pesquisa. Ocorre quando dois ou mais sistemas são gerados ou interagem de tal maneira que os estados quânticos de uns não podem ser descritos independentemente dos estados quânticos dos outros. Os sistemas ficam correlacionados, independentemente da distância entre eles. O interesse em estudar esse tipo de fenômeno deve-se ao seu grande potencial de aplicação em criptografia, comunicação e computação quânticas. A dificuldade é que, ao se relacionarem com o meio, os sistemas se desemaranham quase imediatamente.

No mais recente trabalho do Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (LMCAL – IFUSP), os pesquisadores conseguiram desenvolver uma fonte de luz que produz dois feixes luminosos emaranhados. Artigo a respeito foi publicado em Physical Review Letters: “Continuous Variable Entanglement in an Optical Parametric Oscillator Based on a Nondegenerate Four Wave Mixing Process in Hot Alkali Atoms”

“Essa fonte de luz, conhecida como oscilador paramétrico óptico (OPO), é tipicamente constituída por um cristal, com resposta óptica não linear, no meio de dois espelhos que formam uma cavidade óptica. Ao incidir sobre o aparato um feixe de luz verde intenso, a dinâmica entre o cristal e os espelhos produz dois feixes luminosos que apresentam correlações quânticas”, descreve o físico Hans Marin Florez, coordenador do estudo.

O problema é que a luz emitida por OPOs baseados em cristais não pode interagir com outros sistemas de interesse no contexto da informação quântica, como átomos frios, íons ou chips, já que possui comprimento de onda diferente daqueles desses sistemas. “Em trabalho anterior de nosso grupo, demonstramos que, ao invés de usar um cristal, era possível utilizar os próprios átomos como meio. Dessa forma, produzimos, pela primeira vez, um OPO baseado em átomos de rubídio no qual os dois feixes luminosos apresentavam correlações quânticas de intensidade. Obtivemos, portanto, uma fonte que podia interagir com outros sistemas, como átomos frios, com potencial para operarem como memórias quânticas”, informa Florez.

No entanto, isso ainda não era suficiente para dizer que os feixes estavam emaranhados. Além da intensidade, seria necessário que as fases dos feixes, relacionadas com a sincronização das ondas de luz, também apresentassem correlações quânticas. “Foi exatamente isso que realizamos neste novo estudo, publicado em Physical Review Letters”, afirma o pesquisador.

E detalha: “A partir do mesmo experimento, adicionamos novas etapas de detecção, que nos permitiram medir as correlações quânticas na amplitude e na fase dos campos gerados. E, dessa forma, demonstramos que esses apresentavam emaranhamento. Além disso, a técnica de detecção nos permitiu observar que a estrutura de emaranhamento é mais rica do que tipicamente seria caracterizada. Em vez de termos duas bandas espectrais vizinhas emaranhadas, obtivemos, na verdade, um sistema composto por quatro bandas espectrais emaranhadas”.

O emaranhamento, neste caso, ocorre entre as amplitudes e as fases das ondas. E isso é fundamental em muitos protocolos para processar e transmitir informação quanticamente codificada. Além dessas possíveis aplicações, tais tipos de fontes de luz poderiam ser utilizados também em metrologia. “As correlações quânticas de intensidade têm como consequência uma diminuição considerável das flutuações de intensidade, o que pode aumentar a sensibilidade de sensores ópticos. É como estar em uma festa com todo mundo falando. Isso dificulta escutar alguém que se encontre no outro lado da sala. Porém, se o ruído diminuir a tal ponto que as pessoas fiquem em silêncio, poderemos ouvir o que diz essa pessoa distante”, compara Florez.

Em relação a isso, uma aplicação citada pelo pesquisador seria aumentar a sensibilidade de magnetômetros atômicos que podem medir as ondas alfa emitidas pelo cérebro humano.

O estudo teve apoio da FAPESP por meio do Projeto Temático " Explorando informação quântica com átomos cristais e chips", coordenado por Marcelo Martinelli, de bolsa de pós-doutorado concedida a Florez; uma bolsa de doutorado concedida ao primeiro autor de artigo, Álvaro Montaña Gerreiro, e outra a Raul Leonardo Rincon Celis. 

O trabalho mostrou ainda uma vantagem adicional do OPO baseado em átomos de rubídio comparativamente aos OPOs baseados em cristais. “Nos OPOs com cristais, é necessário empregar espelhos que mantenham a luz dentro da cavidade por um intervalo de tempo mais longo, para que a interação produza os feixes com correlações quânticas. Porém, com o emprego de meios atômicos, nos quais a geração dos dois feixes é mais eficiente do que nos cristais, os espelhos não precisam manter a luz por tanto tempo”, conta Florez.

Antes do trabalho em pauta, outros grupos já haviam tentado fazer OPOs com átomos. Mas não tiveram sucesso em demonstrar as correlações quânticas nos feixes gerados. Com o novo experimento, demonstrou-se que não havia uma limitação intrínseca do sistema impedindo que isso acontecesse. “Descobrimos que a temperatura dos átomos é determinante para observar tais correlações quânticas. Ao que parece, os outros trabalhos operam em temperaturas mais altas, que impossibilitaram que os pesquisadores observassem as correlações”, comenta Florez.

O artigo Continuous Variable Entanglement in an Optical Parametric Oscillator Based on a Nondegenerate Four Wave Mixing Process in Hot Alkali Atoms pode ser acessado em https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.163601.