Entrelaçamento quântico é gerado usando luz do Sol

Sai o laser, entra a luz solar

Cientistas da Alemanha e do Canadá demonstraram pela primeira vez que é possível gerar o delicado fenômeno do entrelaçamento quântico entre fótons usando luz solar, em vez dos lasers ultraprecisos dos laboratórios.

O experimento, realizado ao ar livre, produziu entrelaçamento de polarização com 94% de fidelidade em relação a um estado perfeitamente entrelaçado, e os fótons gerados violaram a desigualdade de Bell, confirmando que as correlações observadas não têm explicação clássica e são resultado do entrelaçamento quântico.

Os cientistas sempre acreditaram que as fortes correlações necessárias para alcançar o entrelaçamento só poderiam ser obtidas com luz coerente, ou seja, com as ondas de luz sincronizadas dos lasers, com seus picos e vales alinhados em um padrão previsível. As tecnologias quânticas de hoje de fato dependem dos lasers, mas eles são grandes, pesados e consomem muita energia, levantando preocupações acerca da possibilidade de miniaturização dessas tecnologias.

Assim, a geração do entrelaçamento com luz solar abre a possibilidade de tecnologias quânticas mais acessíveis e energeticamente eficientes, com aplicações potenciais em satélites, que poderiam gerar chaves de criptografia usando a luz solar no espaço, reduzindo a necessidade de lasers e hardware de suporte a bordo.

“O entrelaçamento quântico é crucial para aplicações como comunicação segura, sensoriamento ultrapreciso e computação de alto desempenho,” disse Cheng Li, da Universidade de Ottawa, no Canadá. “Nosso trabalho mostra que fontes de luz natural abundantes podem ser usadas para entrelaçamento quântico, abrindo a possibilidade de tecnologias quânticas mais acessíveis e com maior eficiência energética.”

Entrelaçamento solar

A geração de entrelaçamento quântico tipicamente usa fontes de luz coerente, com suas ondas sincronizadas com picos e vales alinhados, de uma única cor, para bombear um cristal não-linear, no qual fótons individuais são divididos, produzindo pares que se tornam entrelaçados – essa técnica é chamada conversão paramétrica descendente espontânea.

Mas trabalhos teóricos anteriores já haviam previsto, e experimentos com LEDs (luz incoerente) haviam mostrado, que a luz pode permanecer desordenada em uma propriedade (como a direção de propagação) enquanto produz fótons entrelaçados em outra (como a polarização).

Li e seus colegas levaram esse conceito ao extremo, usando a luz solar, que é altamente divergente e abrange uma ampla gama de cores, ou seja, é altamente incoerente no espaço e no tempo. “Como nossa teoria prevê, se o entrelaçamento reside apenas na polarização, então ele deve depender apenas da regularidade da oscilação da fonte luminosa, e não da sua direção ou sua cor. Isso nos permitiu produzir entrelaçamento de polarização de alta qualidade a partir da luz solar altamente incoerente espacial e temporalmente,” detalhou Li.

O elemento primário é um concentrador solar totalmente de vidro, em forma de cone, que concentra a luz solar coletada por uma lente Fresnel do tamanho de uma janela em uma fibra óptica da espessura de um fio de cabelo, permitindo focá-la no minúsculo cristal não-linear.

Ninguém acreditou

Agora que o experimento comprovou o conceito, os pesquisadores estão trabalhando no desenvolvimento de um produto viável para uso em campo, aprimorando o brilho e a qualidade do entrelaçamento.

Embora tenha-se baseado na conversão descendente espontânea em fase, a técnica poderá ser estendida a outros métodos ópticos não-lineares, como a mistura de quatro ondas, abrindo potencialmente novas direções na pesquisa em fotônica quântica.

“Desde o início deste projeto, nossa ideia enfrentou repetidas dúvidas e resistência. Alguns pesquisadores de renome mundial na área chegaram a questionar se seria possível detectar fótons – quanto mais fótons entrelaçados – provenientes de processos ópticos não-lineares impulsionados pela luz solar. No entanto, confiamos em nossos cálculos, continuamos aprimorando a configuração experimental e, por fim, demonstramos que era possível,” desabafou Li.