Imagem da câmera de um feixe de laser em cores falsas, que consiste em fótons em uma superposição com números quânticos entre +10, 000 e -10, 000. Depois de aumentar o zoom duas vezes, a enorme complexidade da estrutura pode ser revelada. Crédito:IQOQI Viena / Robert Fickler
A equipe de pesquisa da Universidade de Viena conseguiu quebrar dois novos recordes ao fazer experiências com as chamadas partículas torcidas de luz. Esses resultados, agora publicado no jornal PNAS , não são apenas de interesse fundamental, mas também dão uma ideia da enorme capacidade de informação que uma única partícula de luz pode oferecer em aplicações futuras.
Luz torcida
Tempo e de novo, propriedades da luz surpreendem o mundo da pesquisa. Por exemplo, a luz pode ser transformada em um saca-rolhas para produzir os chamados "parafusos de luz", como Anton Zeilinger, físico quântico da Universidade de Viena, descreve. O fato surpreendente é que se pode, em princípio, impor qualquer número de enrolamentos a cada partícula de luz individual - chamados fótons. Quanto maior o número de enrolamentos, quanto maior o chamado número quântico com o qual o fóton é descrito. Os resultados dos cientistas vienenses do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Viena (VCQ) da Universidade de Viena e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica de Viena (IQOQI Viena) da Academia Austríaca de Ciências já fizeram uso deste recurso em dois papéis, quebrando recordes anteriores sobre a distância de transmissão e a magnitude do número quântico.
Mensagem transmitida por luz torcida ao longo de 143 quilômetros
Em princípio, a luz distorcida pode transportar uma grande quantidade arbitrária de informações por fóton. Isso contrasta com a polarização da luz, que é limitado a um bit por fóton. Por exemplo, taxas de dados de até 100 terabits por segundo, que correspondem a cerca de 120 discos Blu-Ray por segundo, já foram alcançados em condições de laboratório. A transmissão em condições realistas, Contudo, ainda está em sua infância. Além da transmissão em curtas distâncias em fibras ópticas especiais, transmissão de tais feixes de luz sobre o espaço livre, necessário, por exemplo, para comunicação por satélite, foi limitado a três quilômetros até agora; alcançado pela mesma equipe vienense há dois anos.
Parafuso de luz no caminho de 143 km entre as ilhas canárias de La Palma e Tenerife. Crédito:Universidade de Viena
No estudo atual, a equipe de pesquisa em torno de Anton Zeilinger e Mario Krenn mostra que a informação codificada em luz retorcida ainda pode ser reconstruída mesmo depois de mais de 100 quilômetros. O experimento foi conduzido entre as ilhas canárias de La Palma e Tenerife, que fica a 143 quilômetros de distância. “A mensagem 'Hello World!' foi codificado em um laser verde com um holograma óptico, e reconstruída com uma rede neural artificial na outra ilha ", explica Krenn, Aluno de doutorado no grupo de Zeilinger. Tendo mostrado que essas propriedades da luz são, em princípio, mantidas em longas distâncias, eles agora devem ser combinados com tecnologias de comunicação modernas - uma tarefa que já vários grupos ao redor do mundo estão começando a abordar.
Emaranhamento quântico com números quânticos de 5 dígitos
Juntamente com o grupo de pesquisa de Ping Koy Lam em Canberra, Austrália, o grupo vienense de Anton Zeilinger também investigou quão fortemente fótons únicos podem ser torcidos na estrutura em forma de parafuso sem perder características quânticas distintas. Em outras palavras, A física quântica ainda se mantém no limite de grandes números quânticos ou a física clássica e a experiência cotidiana estão assumindo o controle novamente? Para este propósito, os pesquisadores aproveitaram uma nova técnica desenvolvida por seus colegas na Austrália. Lá, eles estabeleceram uma técnica para fabricar os chamados espelhos de fase espiral para torcer os fótons de uma maneira forte sem precedentes e, assim, aumentar os números quânticos para valores enormes. Os espelhos, feito sob medida para o experimento em Viena, permitem a geração de fótons em forma de parafuso com números quânticos de mais de 10, 000, que é cem vezes maior do que em experimentos anteriores.
Imagem do parafuso de luz na parede do telescópio Optical Ground Station da ESA em Tenerife, Ilhas Canárias, depois de ser transmitido por mais de 100 km. A estrutura em forma de anel, uma assinatura de parafusos de luz, ainda está claramente visível. Crédito:Universidade de Viena
Inicialmente, os pesquisadores vienenses geraram pares de fótons emaranhados, ou seja, duas partículas de luz que estão aparentemente conectadas, apesar de estarem separadas por uma distância arbitrária. Emaranhamento é o fenômeno distinto da física quântica, que Einstein descreveu como "ação fantasmagórica à distância". Após a conclusão desta etapa inicial, os pesquisadores então torceram um dos fótons com os espelhos australianos sem destruir o emaranhamento, demonstrando assim que a física quântica é válida mesmo se os números quânticos de 5 dígitos estiverem emaranhados. Embora impulsionado por questões fundamentais, aplicações futuras já podem ser antecipadas. "A enorme complexidade da estrutura da luz é fascinante e pode ser vista como uma indicação intuitiva sobre quanta informação deve caber em um único fóton", explica Robert Fickler, autor principal do estudo e atualmente trabalhando como pós-doutorado na Universidade de Ottawa, Canadá.
Portanto, em ambos os estudos, os pesquisadores estabeleceram novos registros com "parafusos de luz" para investigar questões fundamentais, bem como preparar o caminho para possíveis tecnologias futuras.
