Muitas das tecnologias quânticas atuais dependem de lasers poderosos que consomem quantidades significativas de energia. À medida que estes sistemas se tornam maiores e mais difundidos, os seus requisitos de energia podem tornar-se uma preocupação crescente. Os pesquisadores demonstraram agora uma alternativa promissora: a luz solar pode ser usada para gerar emaranhamento quântico entre fótons.
“O emaranhamento quântico é importante para aplicações como comunicações seguras, detecção ultraprecisa e computação de alto desempenho”, disse Cheng Li, recém-formado pela Universidade de Ottawa, no Canadá. “Nosso trabalho mostra que fontes abundantes de luz natural podem ser usadas para emaranhamento quântico, abrindo a possibilidade para tecnologias quânticas mais eficientes em termos energéticos e acessíveis.”
Conclusão, publicada em ópticoA revista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto mostra que a luz solar pode produzir emaranhados melhor do que as técnicas baseadas em laser quando as diferenças na largura de banda da luz que entra são levadas em consideração. Esta conquista reuniu o trabalho teórico do grupo de Robert Boyd da Universidade de Ottawa e um novo concentrador solar criado pela equipe de Hanieh Fattahi no Instituto Max Planck para a Ciência da Luz (MPL), na Alemanha.
“Esta tecnologia poderá um dia permitir que os satélites gerem chaves de criptografia seguras usando a abundante luz solar já existente no espaço, reduzindo a necessidade de lasers a bordo e hardware de suporte”, disse Li, primeiro autor do artigo. “A geração de emaranhamento alimentada pela luz solar também poderia fornecer o componente crítico necessário para ampliar a computação quântica sem aumentar a carga energética.”
Suposições desafiadoras sobre luz quântica
Os cientistas tradicionalmente acreditam que o emaranhamento de fótons requer luz coerente para produzir as fortes correlações necessárias. Na luz coerente, as ondas permanecem sincronizadas de modo que os seus picos e vales seguem um padrão previsível. Os lasers são comumente usados para esse fim porque produzem luz altamente coerente focada em uma única cor.
Pesquisas anteriores da equipe de Boyd começaram a desafiar essa suposição. Os pesquisadores previram teoricamente, e depois demonstraram experimentalmente, que a luz incoerente também pode gerar emaranhamento quântico. Nesses experimentos, eles usaram um LED, uma fonte de luz incoerente, para produzir fótons emaranhados por polarização.
Esses resultados estabeleceram uma teoria importante. A luz pode ser desordenada em uma característica, como a direção em que viaja, enquanto ainda cria fótons que ficam emaranhados por meio de outra característica, como a polarização.
O novo trabalho amplia esse conceito ao substituir os LEDs pela luz solar. A luz solar representa um desafio muito maior porque se espalha em muitas direções e possui um amplo espectro de cores.
Criando fótons emaranhados a partir da luz solar
Para gerar fótons emaranhados, os pesquisadores confiaram na conversão paramétrica espontânea (SPDC). Neste processo óptico estabelecido, um feixe de bomba penetra em um cristal não linear, onde fótons individuais podem se dividir em pares que podem se tornar emaranhados quânticos.
Em vez de usar bombas de laser tradicionais, a equipe forneceu luz solar ao sistema. A luz solar era altamente polarizada, permanecendo altamente inconsistente tanto no espaço quanto no tempo. Seu campo de luz geral oscila na mesma direção, embora contenha fótons de cores diferentes viajando em muitos caminhos diferentes.
“Projetamos nossa configuração experimental de tal forma que as diferenças introduzidas pelas diferentes cores e direções de propagação não afetem a polarização dos fótons”, disse Li. “Como prevê a nossa teoria, se o emaranhamento reside apenas na polarização, deveria depender apenas da ordem na direção de oscilação da bomba, não na sua direção ou cor. Isso nos permitiu produzir emaranhamento de polarização de alta qualidade a partir de luz solar altamente espacial e temporalmente incoerente.
Colocar luz solar suficiente em cristais não lineares extremamente pequenos representou outro grande obstáculo. Os cristais têm apenas cerca de um milímetro de tamanho, tornando impraticáveis os métodos normais de coleta de luz solar.
A equipe de Fattahi na MPL resolveu o problema projetando um concentrador solar todo em vidro. O sistema em forma de cone coleta a luz solar com uma lente Fresnel aproximadamente do tamanho de uma janela doméstica e foca a luz em fibras ópticas tão largas quanto um fio de cabelo humano. A luz solar concentrada pode então ser direcionada para pequenos cristais não lineares responsáveis pela produção de fótons emaranhados.
A luz solar cria um forte emaranhamento quântico
Os pesquisadores testaram suas previsões teóricas e o novo concentrador durante um experimento ao ar livre no MPL. Eles usaram a tomografia de estado quântico para analisar o estado quântico resultante e descobriram que o emaranhado produzido com a luz solar era cerca de 94% idêntico ao estado totalmente emaranhado.
A equipe também descobriu que os fótons apresentavam correlações que violavam a desigualdade de Bell. Este resultado é particularmente importante porque tais correlações não podem ser explicadas pela física clássica e, em vez disso, fornecem evidências de que surgiu um emaranhado quântico genuíno.
Com o experimento de prova de princípio concluído com sucesso, os pesquisadores estão agora trabalhando em um sistema que possa eventualmente ser usado fora do laboratório. Seus esforços estão focados em aumentar o brilho e melhorar ainda mais a qualidade do emaranhamento.
O experimento contou com o SPDC, mas os pesquisadores dizem que a abordagem subjacente também poderia funcionar com outras técnicas ópticas não lineares, incluindo mistura de quatro ondas. Estender o conceito a métodos adicionais poderia levar a novas possibilidades na fotônica quântica.
Do ceticismo a um experimento funcional
O resultado também eliminou dúvidas significativas na comunidade científica sobre se a luz solar poderia realmente impulsionar este processo.
“Desde o início deste projeto, nossa ideia enfrentou repetidamente ceticismo e oposição”, disse Li. “Alguns pesquisadores de renome mundial na área até questionaram se seria possível detectar quaisquer fótons – para não mencionar fótons emaranhados – a partir de processos ópticos não lineares impulsionados pela luz solar. No entanto, confiamos em nossos cálculos, continuamos a melhorar a configuração experimental e, finalmente, mostramos que isso era possível.”
