Óptica quântica, onde as interações de luz e matéria são examinadas em nível microscópico, ganhou prêmios Nobel - incluindo três concedidos desde 2001 - para alguns dos maiores nomes da ciência. Contudo, mesmo neste campo maduro, alguma física interessante permanece amplamente inexplorada. Uma equipe internacional de cientistas da Technische Universität Wien (Áustria), Universidade Duke, Università degli Studi di Palermo e Istituto Nanoscienze CNR (Itália), e o Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA revelou uma nova abordagem para captura de fótons que pode localizar e armazenar um fóton, fornecendo outra opção para desvendar física complicada e manipular o estado quântico de fótons individuais. Seu trabalho foi publicado recentemente em Cartas de revisão física .

Yao-Lung (Leo) Fang, cientista computacional assistente do Quantum Computing Group na Iniciativa de Ciência Computacional de Brookhaven e co-autor do artigo, explicou que uma partícula ocupando um estado de limite estável está confinada no espaço, como um elétron orbitando um átomo de hidrogênio. Contudo, estados ligados são normalmente desconectados do espectro de energia contínua - ou seja, fora do continuum - do sistema. Isso torna os estados vinculados no continuum (BIC) um fenômeno físico interessante, mas difícil de estudar. Na verdade, Fang observou que o BIC é um tópico de pesquisa ativo em muitos campos científicos e de engenharia.

Em algumas configurações de guia de onda de átomo (uma bancada de teste onde um canal óptico unidimensional é fortemente acoplado aos átomos) pode existir um BIC consistindo em excitações coletivas de luz e matéria. Armado com este conhecimento, Fang e seus colegas determinaram uma nova abordagem para estimular o BIC, o que antes se pensava ser possível apenas com a emissão espontânea de fótons. Ao contrário das abordagens convencionais que exigem o controle da propagação da luz em um meio, seu método de excitação forneceu uma nova maneira de capturar fótons individuais sem diminuir a velocidade da luz.

"Quando Francesco [Ciccarello, co-autor do artigo] trouxe pela primeira vez essa ideia de estimular o BIC para nós, Eu estava um pouco cético, "Fang disse." Mas, depois de nos sentarmos e analisarmos completamente, Acontece que ele estava certo. Realmente funciona!"

A equipe considerou o BIC em dois ambientes de teste, incluindo um guia de ondas aberto acoplado a um par de átomos distantes. A excitação do BIC também exigia dois ingredientes importantes:um pacote de ondas multi-fótons e um atraso de tempo substancial (tempo de ida e volta para os fótons se propagarem entre dois objetos distantes). Fang e seus colegas descobriram que, ao projetar adequadamente o retardo de tempo e os parâmetros de onda, eles poderiam enviar dois fótons e capturar um com mais de 80 por cento de probabilidade. Com parâmetros aprimorados, eles esperam isso, em princípio, uma armadilha perfeita é possível. O resultado fornece um exemplo alternativo para investigar a dinâmica quântica em um sistema não linear. Por sua vez, isso pode informar amplas áreas de pesquisa envolvendo a física quântica de muitos corpos, onde os sistemas são compostos de numerosas partículas quânticas interagindo mecanicamente.

"Tínhamos que ter um atraso de tempo finito para maximizar a armadilha, "Fang disse." O valor é que o método pode beneficiar as memórias quânticas, redes, e computação. Por exemplo, os computadores quânticos precisam armazenar um fóton e recuperá-lo quando necessário. Como os fótons se movem na velocidade da luz e não podem parar, precisamos desacelerá-los para que possam ser armazenados. Agora, nós temos um novo, mecanismo verificável para armazenar um fóton. "

Fang reconheceu que o trabalho de espalhamento de fótons da equipe também difere devido à sua influência pela dinâmica não Markoviana, o que pode ser difícil de resolver por causa de como os estados anteriores influenciam os estados subsequentes em um sistema.

"Há interesse geral em física não Markoviana, de sistemas totalmente ópticos, incluindo microondas e lasers, AMO [atômica, molecular, e óptica] física para optomecânica, e uma assinatura típica é o desvio da pura decadência exponencial, "explicou ele." Existem grandes dificuldades técnicas em estudar os efeitos de muitos corpos com atraso. Na dinâmica não Markoviana com efeitos de retardo, nosso estudo apresenta um sistema modelo com física semelhante que pode ser resolvido numericamente para permitir que os físicos deduzam e examinem o que acontece nesses sistemas. "

Em última análise, Fang notou, existe um grande potencial para aproveitar as vantagens do BIC, como para criar uma porta de emaranhamento de dois qubit para computadores quânticos ou até mesmo imaginar a comunicação de longa distância em redes quânticas.

"Ao empolgar o BIC, um emaranhamento finito pode ser criado entre dois nós distantes em uma rede quântica, "disse ele." Há muitas maneiras de o método fornecer esquemas impactantes para outros trabalhos e em áreas científicas emergentes. "