Pares de fótons correlacionados e emaranhados são ferramentas importantes na óptica quântica. Os cientistas normalmente criam esses pares de fótons usando um processo chamado conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC), no qual um laser poderoso e altamente estável é direcionado a um cristal não linear. Como o SPDC depende tanto da luz laser coerente, os pesquisadores há muito consideram o método impraticável fora das condições laboratoriais cuidadosamente controladas.
Mais recentemente, pesquisas mostraram que não é necessária luz perfeitamente coerente para a operação do SPDC. Mesmo fontes de luz parcialmente coerentes podem produzir pares de fótons correlacionados, ao mesmo tempo que conferem aos fótons gerados algumas de suas próprias propriedades de coerência. Esta descoberta levou os investigadores a fazerem uma pergunta intrigante: Será que a própria luz solar poderia ser usada para criar pares correlacionados de fotões?
Usando a luz solar para óptica quântica
A conversão da luz solar em uma fonte SPDC adequada enfrenta grandes obstáculos. A luz solar que atinge a Terra flutua constantemente em brilho, direção e posição, tornando difícil manter o alinhamento preciso necessário para experimentos SPDC e detecção de fótons.
Ao mesmo tempo, a luz solar oferece uma grande vantagem. Ao contrário dos lasers, não requer eletricidade ou equipamento de laboratório sofisticado. Um sistema baseado na luz solar poderia potencialmente funcionar em locais remotos ou mesmo no espaço, onde os sistemas laser tradicionais podem não ser práticos.
Uma equipe de pesquisa liderada por Wuhong Zhang e Lixiang Chen, da Universidade de Xiamen, demonstrou uma solução funcional. Escrevendo em Fotônica avançadaos cientistas descreveram uma configuração experimental que usa a luz solar como única fonte de bomba para o SPDC.
Seu sistema inclui um dispositivo automático de rastreamento solar semelhante à montagem de um telescópio equatorial. O rastreador monitora continuamente o Sol ao longo do dia e direciona a luz solar para uma fibra óptica multimodo de plástico com 20 metros de comprimento. A fibra transporta a luz para um laboratório interno escuro, onde bombeia um cristal não linear de titanil fosfato de potássio (PPKTP) com pólos periódicos.
A luz solar cria com sucesso pares correlacionados de fótons
Apesar da instabilidade da luz solar natural, a configuração gerou com sucesso pares de fótons com forte correlação de posição. Para testar o sistema, os pesquisadores usaram pares de fótons para imagens fantasmas, uma técnica de imagem quântica na qual as imagens são reconstruídas usando fótons correlacionados em vez de detecção espacial direta.
O sistema acionado pela luz solar alcançou uma visibilidade de imagem fantasma de 90,7%, próxima à visibilidade de 95,5% produzida por um laser padrão de comprimento de onda de 405 nm operando com a mesma potência da bomba.
Além da imagem simples de fenda dupla, os pesquisadores também reconstruíram uma imagem bidimensional mais detalhada descrita como um “rosto fantasma”. O resultado mostrou que o sistema movido a energia solar poderia processar padrões espaciais mais complexos.
Segundo os pesquisadores, o amplo espectro da luz solar ajuda a manter a correspondência de quase fases dentro do cristal não linear, permitindo a produção de um grande número de pares de fótons posicionalmente correlacionados. Ao coletar dados durante longos períodos, a equipe melhorou as relações sinal-ruído e contraste-ruído, mostrando que o sistema pode manter um desempenho estável apesar das flutuações naturais da luz solar.
Um sistema de imagem quântica completamente passivo
O experimento marca a primeira demonstração bem-sucedida de um SPDC bombeado pela luz solar combinado com uma imagem fantasma. Eliminando a necessidade de lasers e energia externa, o sistema cria uma fonte completamente passiva de pares de fótons correlacionados.
Os pesquisadores acreditam que esta tecnologia pode ser particularmente útil para futuras imagens quânticas e sistemas de informação quântica usados em ambientes remotos ou programas espaciais.
Eles também observaram que os avanços na coleta de luz solar, no desenvolvimento de cristais e nas técnicas de reconstrução de imagens, incluindo detecção compactada e aprendizado de máquina, poderiam melhorar ainda mais a qualidade e a velocidade da imagem, ao mesmo tempo que ajudariam a aproximar a tecnologia do uso prático no mundo real.
