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Demonstrada a técnica para vencer o ruído quântico

Prova da “iluminação quântica” abre o caminho para melhorias na critptografia quântica e no radar convencional

 

Giorgio Brida
Usar gêmeos quânticos de fótons a partir de um laser (na imagem) melhora a detecção de um objeto em um ambiente ruidoso. 
Por Jon Cartwright e revista Nature

Tecnologias que dependem de fenômenos da ‘estranheza quântica’, como elétrons estando em dois lugares ao mesmo tempo, são inerentemente delicados: a menor perturbação pode fazer com que esses estados incertos ‘colapsem’ em resultados bem definidos. Agora, porém, físicos mostraram que efeitos quânticos nem sempre sucumbem inteiramente a perturbações – pelo menos em se tratando de ruído eletromagnético.

A técnica, chamada de iluminação quântica [quantum illumination], poderia permitir que esquemas baseados em efeitos quânticos funcionassem em ambientes muito mais ruidosos do que atualmente. Isso poderia até tornar a física quântica útil em aplicações como radares, que atualmente dependem da física clássica.

A iluminação quântica foi proposta pela primeira vez em 2008 por Seth Lloyd, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em Cambridge, como forma de melhorar a sensibilidade de radares e outros métodos de detectar objetos distantes. O princípio do radar é simples: um dispositivo envia ondas eletromagnéticas para o ambiente e escuta ecos que representam a presença de um objeto. O problema surge quando existe muito ruído eletromagnético – seja do calor do ambiente, ou dos próprios circuitos do radar, o que pode obscurecer os ecos mais tênues de objetos pequenos ou muito distantes.

Sistema companheiro

A ideia de Lloyd foi ‘emaranhar’ o feixe enviado a partir de um dispositivo com um feixe de referência, para que cada fóton de um dos feixes ficasse pareado com um fóton do outro, como soldados marchando em duas filas. Qualquer ruído envolveria fótons chegando aleatoriamente, o que poderia ser detectado e ignorado porque eles não teriam um gêmeo correlato. Ao filtrar o ruído dessa forma, sugeriu Lloyd, a iluminação quântica ofereceria uma maneira de detectar objetos que seriam invisíveis usando feixes não-emaranhados.

Físicos ficaram surpresos com o resultado teórico de Lloyd. Normalmente, acredita-se que o ruído destroi o emaranhamento. É por isso que a criptografia quântica – um esquema altamente seguro para compartilhar informações – normalmente é feita dentro de cabos de fibra ótica. Mas Lloyd calculou que, apesar do ruído, ainda pode restar um traço do emaranhamento.

Agora, pela primeira vez, pesquisadores demonstraram experimentalmente uma versão da proposta de Lloyd. O resultado de Marco Genovese, físico do Instituto Nacional para Pesquisa Metrológica [NT: Metrológica, mesmo, não Meteorológica] em Turin, na Itália, e seus colegas, está disponível no servidor de preprints arXiv [NT: http://arxiv.org/abs/1303.4304], e será publicado em Physical Review Letters.

Para gerar um par de fótons emaranhados, os pesquisadores enviaram luz laser através de um cristal ‘não-linear’, que dividiu o feixe inicial em dois feixes de fótons correlatos, de baixa energia. Eles enviaram um desses feixes a um detector de referência e o outro por um espaço vazio, perto do qual um detector primário foi instalado. Nas proximidades, instalaram um dispositivo de dispersão de luz, semelhante a um globo de discoteca, para gerar ruído. 

Quando não havia nenhum objeto no espaço, o feixe simplesmente passava por ali, e Genovese e seus colegas só registraram algumas correlações aleatórias de fótons, típicas de ruído de fundo. Quando puseram um pequeno pedaço de vidro no espaço, porém, fótons foram dispersados por ele e o número de toques correlatos nos detectores aumentou 10 vezes. Para verificar se esse sinal de fato era provocado pela iluminação quântica, os pesquisadores repetiram o experimento com luz não-emaranhada. Eles registraram poucas correlações de fótons, tanto com o objeto quanto sem ele.

“Esse é um bom experimento, e um bom começo para tentar demonstrar o efeito”, declara Lloyd, apesar de apontar que o método que propôs originalmente era um pouco diferente, e potencialmente mais poderoso.  

Genovese sugere que o experimento desafia a crença comum de que esquemas quânticos são altamente suscetíveis a ruído. De fato, já houve propostas teóricas para explorar a física básica da iluminação quântica para melhorar a robustez de alguns esquemas quânticos, incluindo a criptografia quântica.

“Até agora, todos os experimentos quânticos eram estritamente limitados pelo ruído”, observa Genovese. “Essa perspective destaca a possibilidade de usar protocolos quânticos em situações mais reais”.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 5 de abril de 2013.