Objetos quânticos, como elétrons e fótons, comportam-se de maneira diferente de outros objetos de maneiras que permitem a tecnologia quântica. É aí que reside a chave para desvendar o mistério do emaranhado quântico, no qual existem múltiplos fótons em múltiplos modos ou frequências.



Na busca por tecnologias quânticas fotônicas, estudos anteriores estabeleceram a utilidade dos estados Fock. Esses são estados multifotônicos e multimodo, possibilitados pela combinação inteligente de uma série de entradas de um fóton usando a chamada óptica linear. No entanto, alguns estados quânticos essenciais e valiosos exigem mais do que esta abordagem fóton por fóton.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Kyoto e da Universidade de Hiroshima confirmou teórica e experimentalmente as vantagens únicas dos estados não-Fock – ou iNFS – estados quânticos complexos que exigem mais do que uma única fonte de fótons e elementos ópticos lineares. O estudo foi publicado na revista Science Advances .

“Confirmamos com sucesso a existência do iNFS usando um circuito quântico óptico com múltiplos fótons”, disse o autor correspondente Shigeki Takeuchi, da Escola de Pós-Graduação em Engenharia.

“Nosso estudo levará a avanços em aplicações como computadores quânticos ópticos e detecção quântica óptica”, acrescenta o coautor Geobae Park.

O fóton é um portador promissor porque pode ser transmitido por longas distâncias enquanto preserva seu estado quântico em temperatura ambiente constante. O aproveitamento de muitos fótons em vários modos permitiria a criptografia quântica óptica de longa distância, a detecção quântica óptica e a computação quântica óptica.

"Geramos meticulosamente um tipo complexo de iNFS utilizando nosso circuito quântico fotônico com transformada de Fourier para manifestar dois fótons em três caminhos diferentes, que é o fenômeno de coerência condicional mais desafiador de se alcançar", explica o co-autor Ryo Okamoto.

Além disso, este estudo comparou outro fenômeno ao emaranhamento quântico amplamente aplicado, que aparece e desaparece simplesmente atravessando um único elemento óptico linear. O emaranhamento quântico é um estado quântico com dois ou mais estados correlacionados em uma superposição entre dois sistemas separados.

“Surpreendentemente, este estudo demonstra que as propriedades do iNFS não mudam ao passar por uma rede de muitos elementos ópticos lineares, marcando um salto na tecnologia quântica óptica”, observa o coautor Holger F Hofmann, da Universidade de Hiroshima.

A equipe de Takeuchi postula que o iNFS exibe coerência condicional, um fenômeno um tanto misterioso, onde a detecção de até mesmo um fóton significa a existência dos fótons restantes em uma superposição de múltiplos caminhos.

“Nossa próxima fase é realizar estados multifotônicos, multimodo e chips de circuito quântico óptico em larga escala”, anuncia Takeuchi.

Mais informações: Geobae Park et al, Realização de correlações de fótons além do limite da óptica linear, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj8146
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pela Universidade de Kyoto