A coerência quântica é um ingrediente-chave de muitos testes e aplicações fundamentais na tecnologia quântica, incluindo comunicação quântica, imagem, Informática, sensoriamento e metrologia. Contudo, a transferência de coerência quântica no espaço livre tem sido até agora limitada a canais de linha de visão direta, já que a turbulência atmosférica e a dispersão degradam severamente a qualidade da coerência.

Em um novo artigo publicado em Light:Ciência e Aplicações , pesquisadores da Universidade de Waterloo demonstraram com sucesso a transferência e recuperação da coerência quântica usando fótons espalhados no espaço livre pela primeira vez. Isso permite novas oportunidades de pesquisa e aplicações em campos que vão desde a comunicação quântica até a geração de imagens e muito mais.

"A capacidade de transferir coerência quântica por meio de fótons dispersos significa que agora você pode fazer muitas coisas que antes exigiam canais em espaço livre de linha de visão direta, "disse Shihan Sajeed, autor principal do artigo e pós-doutorado no Institute for Quantum Computing (IQC) e no Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Waterloo em Ontário, Canadá.

Normalmente, se você tentar enviar e receber fótons através do ar (espaço livre) para comunicação quântica, ou qualquer outro protocolo codificado quântico, você precisa de uma linha de visão direta entre o transmissor e o receptor. Quaisquer objetos no caminho óptico - tão grandes quanto uma parede ou tão pequenos quanto uma molécula - refletirão alguns fótons e espalharão outros, dependendo da refletividade da superfície. Qualquer informação quântica codificada nos fótons é normalmente perdida nos fótons espalhados, interrompendo o canal quântico.

Junto com Thomas Jennewein, investigador principal do laboratório de fotônica quântica no IQC, Sajeed encontrou uma maneira de codificar a coerência quântica em pares de pulsos de fótons enviados um após o outro, de modo que eles mantivessem sua coerência mesmo após espalhar a partir de uma superfície difusa.

Os pesquisadores emitiram uma série de pares de pulsos com uma coerência de fase específica que poderia ser medida a partir dos fótons espalhados usando interferência quântica. Eles também usaram um sensor de matriz de detector de fóton único que, além de resolver distorções de frente de onda causadas pela turbulência atmosférica, atuou como um imageador, permitindo assim que eles observem a interferência de um único fóton e a geração de imagens simultaneamente. Eles colocaram o detector onde ele absorveria apenas fótons dispersos dos pulsos de laser, e observou uma visibilidade de mais de 90%, o que significa que os fótons espalhados mantiveram sua coerência quântica mesmo depois de se chocarem contra um objeto.

Sua nova técnica exigia hardware personalizado para fazer uso da luz coerente que estavam gerando. A matriz de detector de fóton único pode detectar um bilhão de fótons a cada segundo, com uma precisão de 100 picossegundos. Somente a eletrônica de marcação de tempo de ponta poderia lidar com as demandas desse fluxo de luz, e a equipe teve que projetar sua própria placa adaptadora de eletrônicos para se comunicar entre os detectores e o computador que processaria os dados.

"Nossa técnica pode ajudar a criar imagens de um objeto com sinais quânticos ou transmitir uma mensagem quântica em um ambiente barulhento, "diz Sajeed." Fótons dispersos retornando ao nosso sensor terão uma certa coerência, enquanto o ruído no ambiente não, e assim podemos rejeitar tudo, exceto os fótons que enviamos originalmente. "

Sajeed espera que suas descobertas estimulem novas pesquisas e novas aplicações em sensoriamento quântico, comunicação, e imagens em ambientes de espaço livre. A dupla demonstrou comunicação quântica e imagens em seu artigo, mas Sajeed disse que mais pesquisas são necessárias para descobrir como suas técnicas podem ser usadas em várias aplicações práticas.

"Acreditamos que isso poderia ser usado em LIDAR (detecção de luz e alcance) aprimorado quântico, sensoriamento quântico, imagem fora da linha de visão, e muitas outras áreas - as possibilidades são infinitas, "disse Sajeed.