Em uma colaboração entre a Aarhus University e a University of Southern Denmark, pesquisadores descobriram uma maneira de subtrair um único quantum de luz de um feixe de laser. Este trabalho foi publicado recentemente em Cartas de revisão física . O método abre caminho para a futura comunicação quântica e computação usando a mecânica quântica para aplicações tecnológicas.

A luz é feita de pequenos pacotes indivisíveis de energia, ou partículas, conhecidos como fótons. Uma propriedade definidora dos fótons é que eles não interagem, simplesmente passando um pelo outro sem serem afetados. No contexto da comunicação quântica, este é um recurso muito útil, pois, em última análise, permite a transmissão de dados codificados opticamente com baixa perda em distâncias muito grandes. Contudo, muitas ideias emergentes para o processamento de informações quânticas se beneficiariam muito com a capacidade de fazer dois fótons interagirem de forma que um afetasse a propagação ou o estado do outro.

Nos últimos anos, gases atômicos ultracold provaram ser um meio ideal para manipular a luz. Por exemplo, usando uma técnica conhecida como transparência induzida eletromagneticamente, os pesquisadores podem modificar drasticamente a velocidade de propagação da luz e reduzir a velocidade da luz para velocidades surpreendentemente baixas de apenas alguns metros por segundo.

Talvez ainda mais notável, a luz pode ser interrompida convertendo os fótons em excitações atômicas dentro do meio. Ao reverter esse processo e mapear as excitações de volta aos fótons, este procedimento realiza uma memória quântica fotônica na qual os fótons podem ser armazenados temporariamente e recuperados sob demanda.

Junto com a equipe da Aarhus University e colaboradores do Joint Quantum Institute da University of Maryland, a equipe experimental em Odense implementou essa memória fotônica, mas com uma forma especial de gás atômico em que os átomos constituintes apresentam fortes interações.

Isso efetivamente faz com que os fótons se detectem na memória quântica, permitindo que os pesquisadores manipulem a luz em um nível não linear. Usando essa ideia, os grupos desenvolveram e demonstraram uma nova maneira de subtrair um único fóton de um feixe óptico usando outro feixe de luz.

A ideia geral é primeiro armazenar um campo óptico, e, em seguida, envie outro pelo meio. Os fótons no segundo feixe detectam os fótons armazenados e interagem com eles de tal forma que um único fóton é marcado e posteriormente descartado na recuperação. Sendo privado de um único fóton, o feixe de luz original é deixado em um estado quântico peculiar que por si só tem inúmeras aplicações científicas e tecnológicas.

De fato, a ideia subjacente de manipular fótons usando uma memória quântica não linear é uma promessa para muitas aplicações na ciência da informação quântica. Embora seja necessário mais estudo antes que tais recursos se tornem totalmente práticos, o subtrator de fótons de protótipo demonstrado é um marco importante para as tecnologias quânticas baseadas na interação de fótons.