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Fusão quântica une fótons

Fundir a informação de dois fótons, ou unidades de luz, poderia melhorar tecnologias de ótica quântica

Nature Photonics
Por Philip Ball e revista Nature

A codificação de informações em partículas quânticas como fótons, os quanta de luz, poderia levar a poderosas novas tecnologias, como computadores quânticos ultra-rápidos e criptografia quântica inviolável. Um método para inserir a informação carregada por dois fótons em um único fóton, descrito na Nature Photonics, sugere uma maneira de aumentar a eficiência da transmissão de dados nesses sistemas.

Feixes de dados em redes típicas de fibra-ótica são rotineiramente combinados, ou ‘multiplexados’, para aumentar a capacidade da rede. Dados digitais, por exemplo, podem ser codificados em pulsos de luz de comprimentos de onda diferentes, que são enviados simultaneamente ao longo de uma única fibra e separados de novo (‘de-multiplexados’) na outra extremidade. 

Esse tipo de capacidade também seria útil na tecnologia de informações quânticas. Ela implicaria alimentar os dados carregados por dois ou mais ‘bits quânticos’, ou qubits, em um só. Dois qubits carregando um dígito binário cada (1 ou 0) – codificados, por exemplo, na polarização de fótons – poderiam ser substituídos por um único fóton com quatro estados possíveis, capaz de especificar os dois dígitos. 

Mas como fótons não interagem realmente um com o outro, é desafiador transferir os ‘conteúdos’ de dois fótons para um só. Se os fótons não conversam, como a mensagem pode ser transmitida?

Os físicos Lorenzo Marrucci, da Universidade de Nápoles Federico II, e Fabio Sciarrino da Universidade La Sapienza de Roma, e seus colaboradores encontraram uma maneira de conseguir essa transferência de informação. Ela envolveu alimentar os dois fótons iniciais em portas lógicas – dispositivos que produzem sinais binários de saída que têm valores dependentes das entradas [inputs].

Os pesquisadores usaram uma porta lógica chamada de CNOT, que pega dois bits de entrada e ejeta dois bits de saída. Um bit, chamado de controle de entrada [control input], não é modificado na saída, mas o outro, chamado de entrada alvo [target input], é alterado (de 0 para 1, por exemplo) se o controle de entrada é 1.

Os pesquisadores combinaram duas portas CNOT, construídas a partir de sistemas de espelhos que dividem feixes de luz ao refletir parte do feixe enquanto transmitem o resto. Ao usar fótons polarizados como entrada alvo e de controle, eles foram capazes de extrair um fóton de saída que carregava toda a informação das entradas. Eles chamam o processo de quantum joining [ ‘união quântica’].

Ao rodar o processo de trás para frente, os pesquisadores conseguiram o processo reverso de quantum splitting [NT: ou ‘separação quântica’] – a extração de dois fótons nos mesmos estados dos que foram originalmente unidos. Isso corresponde a de-multiplexar o sinal.

Em processos quântico-mecânicos, resultados não podem ser previstos com perfeição, apenas com uma certa probabilidade. Mas os pesquisadores demonstraram experimentalmente que seu aparato – que inclui lasers para alimentar feixes de luz polarizada em uma rede de fibras óticas, divisores de feixes e outros dispositivos óticos – produz resultados que concordam de perto com suas previsões.

“Esse é um belo trabalho que traz uma solução inteligente para o problema”, elogia Ian Walmsley, especialista em ótica quântica da University of Oxford, no Reino Unido.

Mas Walmsley também declara não acreditar que o trabalho trará computadores quânticos para mais perto do presente. “Eu não acho que um dos gargalos para os computadores quânticos da próxima geração esteja nessa direção”, comenta ele. Mas ele sente que a abordagem poderia ter aplicações valiosas em investigações fundamentais do comportamento quântico.

O trabalho “certamente produzirá mais desenvolvimentos na fotônica quântica”, adiciona Brian Smith, que também trabalha com tecnologias de ótica quântica em Oxford. “Essa transferência de informação quântica deve ter um impacto significativo em abordagens de multiplexagem quântica”.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 9 de maio de 2013.