Pesquisadores na Índia mostraram que o emaranhamento de fótons em uma certa base variável contínua revive à medida que os fótons se afastam de sua fonte. A descoberta pode ser útil para a transmissão segura de informações quânticas por longas distâncias e para imagens quânticas em meios turbulentos.

O emaranhamento quântico entre fótons está sendo explorado extensivamente por físicos, muitas vezes para desenvolver novas tecnologias quânticas para computação, comunicação, detecção e imagem. Algumas aplicações potenciais requerem o envio de fótons emaranhados por longas distâncias ou através de ambientes turbulentos sem perdas. No entanto, atualmente é muito complicado preservar certos tipos de emaranhamento nessas circunstâncias – e o sucesso pode depender de muitos fatores, incluindo como a informação quântica é codificada nos fótons.

Atual Anand Jha e colegas da Laboratório de Óptica Quântica e Emaranhamento no Instituto Indiano de Tecnologia Kanpur forneceram uma possível solução usando as posições angulares dos fótons para codificar informações. Eles observaram que o emaranhamento parece desaparecer à medida que os fótons se propagam, mas depois reaparece estranhamente. Eles também mostraram que o renascimento do emaranhamento acontece mesmo depois que os fótons viajam pelo ar turbulento, o que normalmente destruiria o emaranhamento. Eles descrevem suas pesquisas em Os avanços da ciência.

emaranhamento de fótons

Os fótons têm muitos graus de liberdade diferentes que podem ser usados ​​para codificar informações quânticas. A escolha depende do tipo de informação que deve ser codificada. Para qubits, propriedades discretas como a polarização ou o momento angular orbital de um fóton podem ser usadas. Mas às vezes, especialmente para fins de detecção e imagem, é melhor codificar informações quânticas de forma mais contínua. Nessas aplicações, a propriedade emaranhada mais explorada – ou “base” – é a posição de um fóton dada por suas coordenadas cartesianas.

O fenômeno do emaranhamento quântico confere às partículas uma relação mais próxima do que é permitido pela física clássica e é independente de qual base particular é usada para codificar a informação quântica. No entanto, a maneira como o emaranhamento é usado ou medido em um experimento pode não ser independente da base. Isso se aplica a uma “testemunha” de emaranhamento, que é uma quantidade matemática que determina se um sistema está emaranhado. Testemunhas são dependentes de base para bases contínuas e essa dependência significa que alguns tipos de emaranhamento contínuo podem ser mais úteis do que outros.

Para a base posição-momento, o emaranhamento, visto pela testemunha, desaparece muito rapidamente à medida que os fótons se afastam de sua fonte. Para contornar isso, os cientistas geralmente fazem imagens da própria fonte para usar o emaranhamento entre os fótons. Qualquer turbulência no caminho também destrói rapidamente o emaranhado, exigindo soluções complexas como óptica adaptativa para revivê-lo. Essas etapas corretivas adicionais limitam a utilidade desses fótons emaranhados.

Esta última pesquisa de Jha e colegas explora como o emaranhamento pode ser preservado usando uma base alternativa intimamente relacionada – a posição angular de um fóton.

Gerando, Perdendo e Revivendo o Emaranhamento

Em seu experimento, os pesquisadores geraram fótons emaranhados enviando luz de um laser de “bomba” de alta potência para um cristal não linear. Sob condições em que as energias e os momentos dos fótons são conservados, um fóton bombeado produzirá dois fótons emaranhados em um processo chamado conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC). Os dois fótons estão emaranhados em todas as suas propriedades. Se um fóton for detectado em um local, por exemplo, a posição do outro fóton emaranhado é determinada automaticamente. A correlação também existe para outras quantidades, como momento, posição angular e momento angular orbital.

Conforme observado pela testemunha sem quaisquer medidas corretivas, os pesquisadores observaram que o emaranhamento de posição entre os fótons desaparece após cerca de 4 cm de propagação. Por outro lado, algo interessante acontece para o emaranhamento de posição angular. Ele desaparece após cerca de 5 cm de propagação, mas após os fótons terem percorrido outros 20 cm, o emaranhamento aparece novamente (veja a figura). Os pesquisadores corroboraram seus resultados experimentais qualitativamente com um modelo numérico.

O método de destilação fortalece o emaranhamento quântico em um único par de fótons

A mesma tendência foi observada quando a equipe criou um ambiente turbulento no caminho dos fótons emaranhados. Isso foi feito usando um aquecedor de sopro para agitar o ar e alterar seu índice de refração. Neste caso, o emaranhamento foi revivido depois que a luz se propagou por uma distância maior de cerca de 45 cm.

Ainda não se sabe totalmente o que faz com que o emaranhamento na base da posição angular reapareça. A base é especial porque envolve após um círculo completo. Esse é um dos seus diferenciais, segundo Jha.

Embora o estudo demonstre robustez em distâncias de menos de um metro, Jha e seus colegas afirmam que o renascimento também é possível em distâncias de quilômetros. Isso poderia possibilitar a transmissão de informações quânticas através da turbulência atmosférica sem destruir o emaranhamento. A robustez através da turbulência também pode permitir a imagem quântica de objetos em ambientes bioquímicos difusos com invasão ou destruição mínimas.

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