Os físicos quânticos agora podem destilar uma espécie de schnapps de fóton. Quando os espíritos são destilados, o teor de álcool aumenta em relação ao teor de água. Um método semelhante desenvolvido por uma equipe do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching trabalha com quanta de luz - fótons. Ele extrai fótons individuais de uma fonte de luz, empurra de volta o componente de vácuo indesejado, e relata este evento. Esses fótons únicos são bits quânticos importantes para a tecnologia da informação quântica emergente.

Na verdade, é uma reminiscência do princípio por trás da destilação do álcool - embora o dispositivo alojado em um laboratório no Instituto Max Planck de Óptica Quântica pareça completamente diferente de algo usado para destilar aguardente. O experimento de Garching aumenta a proporção de fótons individuais em relação ao vácuo. Essa motivação pode parecer estranha para o público em geral. Contudo, leva diretamente ao estranho mundo da física quântica. Em última análise, fontes de luz fracas que podem fornecer exatamente um fóton desempenham um papel central na tecnologia da informação quântica. Como um bit quântico, um fóton pode transportar as informações quânticas elementares necessárias para redes quânticas, criptografia quântica, e computadores quânticos - da mesma forma que a tecnologia digital atual processa bits individuais como portadores de informações.

A construção de fontes de fóton único é um desafio pesquisado mundialmente há muitos anos. Isso parece surpreendente porque basta um único toque de um interruptor de luz para iluminar uma sala. Contudo, a luz de uma lâmpada corresponde a uma corrente de enorme número de fótons. Se você diminuir uma fonte de luz a tal ponto que apenas fótons individuais possam escapar dela, você é confrontado com a natureza do jogo de dados do mundo quântico; às vezes nada vem, e então surgem dois ou três fótons e assim por diante. É um pouco como o gotejamento de uma destilaria. Você não pode prever com precisão quando a queda virá ou quão grande será.

Nenhum vácuo pode ser adicionado a um fóton preparado de forma limpa

Os físicos do Departamento de Gerhard Rempes no Instituto Max Planck de Óptica Quântica não tinham intenção de desenvolver outra fonte de luz de fóton único. Em vez de, seu experimento pode extrair fótons individuais da luz de qualquer fonte de luz muito fraca - como uma imagem estática - e relatar esse evento de forma confiável. Estritamente falando, reduz a fração de vácuo puro em relação ao evento de obtenção de um fóton. Isso é o que você aprende com Severin Daiß, Doutoranda do Instituto e primeira autora da publicação. Uma das peculiaridades do mundo quântico é que o próprio vácuo representa um estado quântico. Se você quiser preparar um fóton de maneira limpa, nenhum vácuo deve ser adicionado.

Dois desafios se unem no novo trabalho de pesquisa da equipe da Rempes. O primeiro desafio é obter exatamente um fóton. A segunda é detectá-lo com segurança. Um único átomo de rubídio resolve ambas as tarefas em uma única etapa. Este átomo está em uma espécie de gabinete de espelho. Mais precisamente, ele está preso entre dois espelhos quase perfeitos um de frente para o outro. A distância dos espelhos neste "ressonador" corresponde precisamente a um múltiplo de meio comprimento de onda de luz em que o átomo poderia irradiar ou absorver seu próprio fóton. Neste sistema, o átomo pode ser dobrado para frente e para trás entre duas posições de exibição como um ponteiro; isso desempenha um papel importante aqui.

Vários instantâneos de fótons em sucessão aumentam a pureza da luz

"Podemos usar este sistema do átomo no ressonador como uma parada para o fóton", diz Severin Daiß. O grupo baseado em Garching direciona luz laser extremamente fraca - da qual eles desejam obter um único fóton - para a cavidade. Lá ele faz algo que só funciona no mundo quântico:se enreda com o arranjo átomo-ressonador, formando assim um estado quântico comum. Este estado emaranhado torna o sistema imóvel:com uma medição no átomo, os físicos podem extrair um número par ou ímpar de fótons da luz incidente.

Contudo, isso não funciona como um switch; a natureza do jogo de dados do mundo quântico impede que um fóton passe com o apertar de um botão. "O que é decisivo aqui é que agora podemos usar o átomo como um ponteiro para relatar uma destilação de fóton único bem-sucedida", explica Daiß. Os físicos deixam o arranjo rolar fótons, mas exibem a contagem dos dados de maneira confiável.

Em conjunto com a luz ultra-fraca, o modo de "número ímpar de fótons" agora pode produzir eventos com um fóton porque raramente há mais fótons disponíveis. A destilação teve sucesso com uma "pureza" de 66 por cento, o que significa que o conteúdo de vácuo foi reduzido para um terço. Comparado com fontes de luz de fóton único, este é um bom resultado para uma primeira tentativa. Essa pureza pode ser consideravelmente aumentada com melhores cavidades ópticas. Os elementos de destilação de fótons podem ser conectados em série para aumentar ainda mais a pureza do fóton que os atravessa. A qualidade da luz de outras fontes de fóton único também pode ser melhorada. É como fazer 60% (ou mais) de vodka com 40% de vodka.