Físicos manipularam a “luz quântica” pela primeira vez

Pela primeira vez, uma equipa internacional de físicos manipulou com sucesso pequenas partículas leves, conhecidas como fotões, que têm uma forte relação umas com as outras.

Este é um avanço no domínio quântico, que pode levar à criação de tecnologia com a qual nem sonhamos atualmente. “Isto abre a porta à manipulação daquilo a que podemos chamar de “luz quântica””, referiu a física Sahand Mahmoodian, da Universidade de Sidney, citado pelo Science Alert.

“Esta ciência fundamental abre o caminho para avanços em técnicas de medição quântica e computação quântica fotónica”, acrescentou.

Embora os físicos estejam a ficar muito bons a controlar átomos quânticos, provou-se ser muito mais desafiador conseguir o mesmo com a luz.

Nesta nova experiência, uma equipa da Universidade de Sydney e da Universidade de Basileia, na Suíça, disparou um único fotão e também um par de fotões ligados a um ponto quântico (um átomo criado artificialmente), medindo um atraso de tempo direto entre o fotão que estava sozinho e os que estavam ligados.

“O dispositivo que construímos induziu interações tão fortes entre os fotões que pudemos observar a diferença entre um fotão que interage sozinho em comparação com” aqueles que interagem com dois, disse a física Natasha Tomm, da Universidade de Basileia, uma das autoras do estudo, publicado recentemente na Nature Physics.

“Observámos que um fotão foi atrasa-se por um tempo mais longo em comparação com dois fotões. Com esta interação realmente forte entre fotões, os dois fotões ficam enredados sob a forma do que se chama um estado ligado a dois fotões”, explicou.

A equipa estabeleceu este estado utilizando emissão estimulada – um fenómeno descrito pela primeira vez por Albert Einstein, em 1916, e que constitui a base dos lasers modernos. No interior de um laser, uma corrente elétrica é utilizada para produzir eletrões dentro dos átomos de um material ótico, como o vidro ou o cristal.

Essa excitação faz com que os eletrões subam uma órbita no núcleo do seu átomo. E quando regressam ao seu estado normal, emitem energia sob a forma de fotões. Estas são as emissões “estimuladas” e este processo significa que todas as fotos resultantes têm comprimentos de onda idênticos, ao contrário da luz branca normal, que é uma mistura de diferentes frequências (cores).

Um espelho é então utilizado para ressaltar os fotões antigos e novos de volta para os átomos, estimulando a produção de fotões mais idênticos.

Esses fotões movem-se em uníssono, viajando com a mesma velocidade e direção, e acumulam-se até ultrapassarem os espelhos e o meio ótico e libertarem a explosão num feixe de luz perfeitamente sincronizado, que pode manter-se fortemente focado em longas distâncias.

Este tipo de interação fria entre luz e matéria é a base de todos os tipos de tecnologia, tais como GPS, computadores, imagens médicas e redes de comunicações globais. Mesmo o LIGO, o observatório de ondas gravitacionais de interferómetro laser que detetou ondas gravitacionais pela primeira vez em 2015, baseia-se em lasers.

Mas toda esta tecnologia ainda requer uma grande quantidade de fotões, o que limita o quão sensíveis podem ser.

O novo avanço conseguiu agora estimular a emissão e deteção de fotões únicos, bem como de pequenos grupos de fotões de um único átomo, levando a que estes fiquem fortemente relacionados – por outras palavras, “luz quântica”.

“Ao demonstrar que podemos identificar e manipular estados ligados a fotões, demos um primeiro passo vital para o aproveitamento da luz quântica para uso prático”, indicou Sahand Mahmoodian.

Os próximos passos, explicou, passam por utilizar a abordagem para gerar estados de luz que possam fazer melhores computadores quânticos.

“Esta experiência é bela, não só porque valida um efeito fundamental – emissão estimulada – no seu limite máximo, mas também representa um enorme passo tecnológico no sentido de aplicações avançadas”, acrescentou Natasha Tomm.

“Podemos aplicar os mesmos princípios para desenvolver dispositivos mais eficientes que nos dão estados ligados ao fotão. Isto é muito promissor para aplicações numa vasta gama de áreas: desde a biologia ao fabrico avançado e ao processamento de informação quântica”, concluiu.