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 produzir fótons emaranhados podem conter estruturas topológicas nunca antes vistas. Nas suas experiências, estas estruturas atingiram um recorde de 48 dimensões e incluíram mais de 17.000 assinaturas topológicas diferentes, criando um vasto novo “alfabeto” para codificar informação quântica estável.
Na maioria dos laboratórios de óptica quântica, os fótons emaranhados são gerados usando uma técnica chamada redução paramétrica espontânea (SPDC). Este processo cria naturalmente um emaranhamento nas propriedades espaciais da luz. Os pesquisadores descobriram que dentro desta estrutura espacial existe um reino oculto de topologias de alta dimensão. Estes padrões complexos poderão fornecer novas formas de armazenar e proteger informações, tornando potencialmente os sistemas quânticos mais resilientes ao ruído.
A equipe demonstrou esse efeito usando o momento angular orbital (OAM) da luz, que pode abranger desde casos bidimensionais simples até dimensões extremamente altas. Esta flexibilidade permite a criação de estruturas muito mais ricas do que se pensava anteriormente.
Uma topologia surge de uma única propriedade
Resultados publicados em Comunicações da naturezamostram que uma medição OAM de dois fótons emaranhados revela uma topologia intrínseca, uma característica fundamental do próprio emaranhamento. Como o OAM pode assumir uma gama ilimitada de valores, as topologias associadas também podem abranger dimensões muito grandes.
“Relatamos um grande avanço neste trabalho: precisamos apenas de uma propriedade da luz (OAM) para criar uma topologia, enquanto anteriormente se pensava que eram necessárias pelo menos duas propriedades – geralmente OAM e polarização”, diz o professor Andrew Forbes da Wits School of Physics. “A implicação é que, como o OAM é multidimensional, a topologia também o é, e isso nos permite relatar as topologias mais altas já observadas.”
Os pesquisadores também descobriram que, uma vez que uma topologia ultrapassa duas dimensões, ela não pode mais ser descrita por um único número. Em vez disso, é necessária uma gama de valores topológicos, refletindo uma estrutura muito mais rica e complexa do que os sistemas ópticos padrão.
Uma descoberta escondida à vista de todos
Um dos aspectos mais notáveis dessa inovação é o quão acessível ela é. Os recursos necessários já estão disponíveis na maioria dos laboratórios de óptica quântica, o que significa que nenhum equipamento especial ou “engenharia quântica” é necessário para explorar o efeito.
Pedro Arnelos explica: “A topologia é obtida de graça, por causa do emaranhado no espaço. Ela sempre esteve lá, bastava encontrá-la.”
Guiado pela teoria confirmada pela experiência
De acordo com o autor principal, Professor Robert de Mello Koch, da Universidade de Huzhou, identificar essas estruturas não foi fácil. “Em grandes dimensões, não é tão óbvio onde procurar a topologia. Usamos os conceitos abstratos da teoria quântica de campos para prever onde procurar e o que procurar – e descobrimos isso no experimento!”
Rumo a tecnologias quânticas mais confiáveis
Embora o emaranhamento do momento angular orbital tenha sido amplamente estudado, ele tem sido frequentemente considerado frágil. Agora os pesquisadores acreditam que olhar pelas lentes da topologia pode mudar essa perspectiva. Usando essas estruturas recém-descobertas, os cientistas serão capazes de desenvolver sistemas quânticos mais confiáveis, abrindo as portas para aplicações práticas no mundo real.
