Visualizando a dança misteriosa: emaranhado quântico de fótons capturados em tempo real

21 de agosto de 2023

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pela Universidade de Ottawa

Pesquisadores da Universidade de Ottawa, em colaboração com Danilo Zia e Fabio Sciarrino da Universidade Sapienza de Roma, demonstraram recentemente uma nova técnica que permite a visualização da função de onda de dois fótons emaranhados, as partículas elementares que constituem a luz, em condições reais. tempo.

Usando a analogia de um par de sapatos, o conceito de emaranhamento pode ser comparado à seleção aleatória de um sapato. No momento em que você identifica um sapato, a natureza do outro (seja o sapato esquerdo ou direito) é instantaneamente discernida, independentemente de sua localização no universo. Porém, o fator intrigante é a incerteza inerente associada ao processo de identificação até o momento exato da observação.

A função de onda, um princípio central da mecânica quântica, fornece uma compreensão abrangente do estado quântico de uma partícula. Por exemplo, no exemplo do sapato, a "função de onda" do sapato poderia transportar informações como esquerda ou direita, tamanho, cor e assim por diante.

Mais precisamente, a função de onda permite aos cientistas quânticos prever os resultados prováveis ​​de várias medições numa entidade quântica, por exemplo, posição, velocidade, etc.

Esta capacidade preditiva é inestimável, especialmente no campo de rápido progresso da tecnologia quântica, onde conhecer um estado quântico gerado ou inserido em um computador quântico permitirá testar o próprio computador. Além disso, os estados quânticos utilizados na computação quântica são extremamente complexos, envolvendo muitas entidades que podem apresentar fortes correlações não locais (emaranhamento).

Conhecer a função de onda de tal sistema quântico é uma tarefa desafiadora – isso também é conhecido como tomografia de estado quântico ou, abreviadamente, tomografia quântica. Com as abordagens padrão (baseadas nas chamadas operações projetivas), uma tomografia completa requer um grande número de medições que aumenta rapidamente com a complexidade do sistema (dimensionalidade).

Experimentos anteriores conduzidos com esta abordagem pelo grupo de pesquisa mostraram que caracterizar ou medir o estado quântico de alta dimensão de dois fótons emaranhados pode levar horas ou até dias. Além disso, a qualidade do resultado é altamente sensível ao ruído e depende da complexidade da configuração experimental.

A abordagem de medição projetiva da tomografia quântica pode ser pensada como a observação das sombras de um objeto de alta dimensão projetado em paredes diferentes a partir de direções independentes. Tudo o que um pesquisador pode ver são as sombras e, a partir delas, pode inferir a forma (estado) do objeto completo. Por exemplo, na tomografia computadorizada (tomografia computadorizada), a informação de um objeto 3D pode assim ser reconstruída a partir de um conjunto de imagens 2D.

Na óptica clássica, entretanto, existe outra maneira de reconstruir um objeto 3D. Isso se chama holografia digital e se baseia no registro de uma única imagem, chamada interferograma, obtida pela interferência da luz espalhada pelo objeto com uma luz de referência.

A equipe, liderada por Ebrahim Karimi, presidente de pesquisa do Canadá em ondas quânticas estruturadas, codiretor do instituto de pesquisa uOttawa Nexus for Quantum Technologies (NexQT) e professor associado da Faculdade de Ciências, estendeu esse conceito ao caso de dois fótons.

A reconstrução de um estado bifóton requer sobrepô-lo a um estado quântico presumivelmente bem conhecido e, em seguida, analisar a distribuição espacial das posições onde dois fótons chegam simultaneamente. A imagem da chegada simultânea de dois fótons é conhecida como imagem de coincidência. Esses fótons podem vir da fonte de referência ou de uma fonte desconhecida. A mecânica quântica afirma que a fonte dos fótons não pode ser identificada.