Cientistas da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, trabalhando com colegas da Universidade de Huzhou, descobriram uma característica surpreendente numa das ferramentas mais utilizadas em óptica quântica. Eles descobriram que o mecanismo ideal para produzir fótons emaranhados pode ter estruturas topológicas nunca antes vistas. Nas suas experiências, estas estruturas atingiram um recorde de 48 dimensões e incluíram mais de 17.000 assinaturas topológicas distintas, criando um vasto novo “alfabeto” para codificar informação quântica estável.
Na maioria dos laboratórios de óptica quântica, fótons emaranhados são gerados usando uma técnica chamada conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC). Este processo causa naturalmente emaranhamento nas propriedades espaciais da luz. Os pesquisadores descobriram que dentro desta estrutura espacial existe um reino oculto de topologias de dimensões superiores. Esses padrões complexos poderiam fornecer novas maneiras de armazenar e proteger informações, tornando potencialmente os sistemas quânticos mais resistentes ao ruído.
A equipe demonstrou esse efeito usando o momento angular orbital (OAM) da luz, que pode se estender desde o caso bidimensional simples até dimensões extremamente altas. Esta flexibilidade permite estruturas muito mais ricas do que as anteriormente reconhecidas.
A topologia é derivada de uma única propriedade
Resultados, publicados Comunicação da naturezamostram que medir o OAM de dois fótons emaranhados revela uma topologia subjacente, que é uma propriedade fundamental do emaranhamento. Como o OAM pode aceitar uma faixa ilimitada de valores, as topologias correspondentes também podem ser altamente escaláveis.
“Relatamos um grande avanço neste trabalho: precisamos apenas de uma propriedade da luz (OAM) para criar a topologia, enquanto anteriormente se pensava que seriam necessárias pelo menos duas propriedades – geralmente OAM e polarização,” disse o professor Andrew Forbes da Wits School of Physics. “O resultado é que, como o OAM é de alta dimensão, a topologia também o é, e esta é a topologia mais alta que já observamos.”
Os pesquisadores também descobriram que, uma vez que a topologia vai além das duas dimensões, ela não pode mais ser descrita por um único número. Em vez disso, é necessária uma gama de valores topológicos que reflitam estruturas muito mais ricas e complexas do que os sistemas ópticos padrão.
Uma descoberta escondida à vista de todos
Um dos aspectos mais notáveis desse avanço é o quão acessível ele é. Os recursos necessários já estão presentes na maioria dos laboratórios de óptica quântica, o que significa que não são necessários equipamentos especiais ou “engenheiros quânticos” para aproveitar o efeito.
Pedro Ornellas explica: “Você obtém a topologia de graça, a partir do emaranhado do espaço. Ela sempre esteve lá, só precisava ser encontrada”.
Guiado pela teoria, confirmado pela experiência
De acordo com o autor principal, Professor Robert De Mello Koch, da Universidade de Huzhou, identificar essas estruturas não foi fácil. “Não é tão óbvio onde procurar a topologia em dimensões superiores. Usamos 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 poderosas
Embora o emaranhamento do momento angular orbital tenha sido amplamente explorado, ele tem sido frequentemente considerado frágil. Os pesquisadores agora sugerem que vê-lo através das lentes da topologia pode mudar essa visão. Usando essas estruturas recém-descobertas, os cientistas poderão desenvolver sistemas quânticos mais confiáveis, abrindo a porta para aplicações práticas no mundo real.
