Físicos da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, juntamente com colegas da Universidade Autônoma de Barcelona, mostraram como a luz no nível quântico pode ser deliberadamente moldada no espaço e no tempo para produzir estados quânticos multidimensionais e de alta dimensão. Ao controlar cuidadosamente o padrão espacial, o tempo e o espectro de um fóton, a equipe pode criar os chamados fótons estruturados. Essas partículas de luz especialmente projetadas abrem novas possibilidades para comunicação quântica de alta capacidade e tecnologias quânticas de próxima geração.
Seus resultados aparecem em uma revisão publicada em Fotônica da naturezaque explora o rápido progresso na criação, controle e medição da luz quântica estruturada. O artigo destaca um conjunto crescente de ferramentas poderosas, incluindo fotônica incorporada, óptica não linear e transformação de luz multiplano. Juntas, essas técnicas transformam estados quânticos estruturados de conceitos de laboratório em sistemas práticos de imagem, detecção e rede quântica.
Da caixa de ferramentas vazia ao controle quântico avançado
O professor Andrew Forbes, da Wits University, autor correspondente do estudo, diz que a transformação no campo nos últimos 20 anos foi notável. “A adaptação do estado quântico, onde a luz quântica é criada para um propósito específico, ganhou recentemente impulso e finalmente começou a mostrar todo o seu potencial. Há vinte anos, a caixa de ferramentas para isso estava praticamente vazia. Hoje temos fontes compactas e eficientes de luz quântica estruturada no chip, capazes de criar e controlar estados quânticos.”
A principal vantagem da modelagem de fótons é que ela permite aos pesquisadores usar alfabetos de codificação de alta dimensão. Simplificando, cada fóton pode transportar mais informações e resistir aos obstáculos de forma mais eficaz. Isto torna a luz quântica estruturada particularmente atraente para sistemas de comunicação quântica seguros.
Problemas na comunicação quântica de longa distância
Apesar dos progressos, as condições reais ainda apresentam obstáculos. Certos canais de comunicação são pouco adequados para fótons espacialmente estruturados, limitando o alcance de propagação desses sinais em comparação com propriedades mais tradicionais, como a polarização. “Embora tenhamos feito um progresso tremendo, ainda existem desafios desafiadores”, diz Forbes. “A viabilidade com luz estruturada, tanto clássica como quântica, permanece muito baixa… mas é também uma possibilidade que impulsiona a busca por graus de liberdade mais abstratos para explorar.”
Para resolver essa limitação, os pesquisadores estão procurando maneiras de dotar os estados quânticos de propriedades topológicas. Características topológicas podem tornar a informação quântica mais resistente a interferências. “Mostrámos recentemente como as funções de onda quântica podem ser naturalmente topológicas, e isto mantém a promessa de preservar a informação quântica mesmo quando o emaranhamento é frágil”, diz Forbes.
Emaranhamento multidimensional e aplicações futuras
A revisão também descreve os rápidos desenvolvimentos em emaranhamento multidimensional, padronização temporal ultrarrápida, técnicas avançadas de detecção não linear e dispositivos compactos no chip que podem gerar ou processar luz quântica com dimensões mais altas do que nunca. Essas inovações abrem caminho para imagens quânticas de alta resolução, ferramentas de medição extremamente precisas e redes quânticas capazes de transmitir mais dados por meio de múltiplos canais interconectados.
No geral, parece que o campo está atingindo um ponto crítico. Os pesquisadores acreditam que a óptica quântica baseada em luz estruturada está preparada para um crescimento significativo e o futuro parece “realmente muito brilhante”, mas é necessário mais trabalho para aumentar a dimensionalidade, aumentar o rendimento de fótons e desenvolver estados quânticos que possam suportar ambientes ópticos realistas.
