Físicos da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, juntamente com colegas da Universitat Autónoma de Barcelona, mostraram como a luz no nível quântico pode ser deliberadamente moldada no espaço e no tempo para criar estados quânticos multidimensionais e de alta dimensão. Ao controlar cuidadosamente o padrão espacial, o tempo e o espectro de um fóton, a equipe pode projetar o que é conhecido como fótons estruturados. Essas partículas de luz personalizadas abrem novas possibilidades para comunicação quântica de alto desempenho e tecnologias quânticas de próxima geração.
Uma revisão publicou seus resultados aparece Fotônica da Naturezaque examina os rápidos avanços na criação, controle e medição de 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 estão transformando 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 professor Andrew Forbes, da Wits University, autor correspondente do estudo, disse que a transformação do campo nos últimos 20 anos foi notável. “A adaptação de estados quânticos, onde a luz quântica é adaptada para um propósito específico, ganhou impulso ultimamente, finalmente começando a mostrar todo o seu potencial. Há vinte anos, o kit de ferramentas para isso estava praticamente vazio. Hoje temos fontes de luz quântica estruturada no chip que são compactas e eficientes e capazes de estados controláveis e geradores de estado.”
Uma grande vantagem da formulação de fótons é que ela permite aos pesquisadores usar 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.
Desafios 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. “Embora tenhamos feito progressos surpreendentes, ainda existem questões desafiadoras”, disse Forbes. “A distância alcançada com a luz estruturada, tanto clássica quanto quântica, permanece curta… mas esta é uma oportunidade, estimulando a busca por graus mais abstratos de liberdade na absorção.”
Para resolver esta limitação, os pesquisadores estão explorando maneiras de dar propriedades topológicas aos estados quânticos. Propriedades topológicas podem tornar a informação quântica mais estável contra perturbações. “Mostrámos recentemente como as funções de onda quântica têm o potencial de serem inerentemente topológicas, e isto promete preservar a informação quântica mesmo que o emaranhamento seja frágil”, diz Forbes.
Emaranhamento multidimensional e aplicações futuras
A revisão descreve o desenvolvimento rápido de emaranhamento multidimensional, estruturação temporal ultrarrápida, 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 estão abrindo caminho para imagens quânticas de alta resolução, ferramentas de medição altamente precisas e redes quânticas capazes de transmitir mais dados por meio de múltiplos canais interconectados.
No geral, o campo parece ter atingido um momento crítico. Os pesquisadores acreditam que, embora a óptica quântica baseada em luz estruturada esteja preparada para um grande crescimento, o futuro parece “muito brilhante” – mas é necessário trabalho adicional para aumentar a escala, aumentar a produção de fótons e projetar estados quânticos que possam suportar ambientes ópticos realistas.
