Pesquisa conduzida na USP produziu feixes intensos de luz com correlações quânticas

O horizonte de aplicações inclui metrologia de alta precisão e codificação de informações

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Tecnologias de vanguarda, altamente sofisticadas, já utilizam as propriedades de estados quânticos da luz. É o caso das últimas atualizações feitas no experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – usado na detecção de ondas gravitacionais desde setembro de 2015), que aumentaram sua sensibilidade, ou de chaves criptográficas de segurança empregadas em satélites.

Essas duas soluções se valem de cristais como amplificadores ópticos livres de ruídos. No entanto, o uso de vapores atômicos tem-se apresentado como alternativa mais eficiente, aumentando a acessibilidade aos estados não clássicos da luz.

“Demonstramos que osciladores baseados nestes amplificadores atômicos podem gerar feixes intensos com correlações quânticas”, diz à Agência FAPESP o pesquisador Marcelo Martinelli, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP).

O artigo Quantum Noise Correlations of an Optical Parametric Oscillator Based on a Nondegenerate Four Wave Mixing Process in Hot Alkali Atoms, assinado por Martinelli e colaboradores, foi publicado no periódico Physical Review Letters.

O estudo contou com apoio da FAPESP no âmbito do Projeto Temático “Explorando informação quântica com átomos, cristais e chips”, coordenado por Martinelli.

Tanto os cristais quanto o vapor atômico possibilitam produzir pares de feixes de luz quanticamente relacionados. O desafio é investigar o comportamento destas fontes. Abaixo de certa potência, a luz tem comportamento próximo ao da luz produzida por uma lâmpada. Acima de certo limiar, ela passa a ter características semelhantes às de um laser. “É como se os cristais ou o vapor atômico convertessem a luz de uma lâmpada na luz do laser. Investigar essa transição é mais fácil no meio atômico do que no meio cristalino, pois o meio atômico permite obter feixes mais intensos”, compara Martinelli.

Para isso, utilizam-se cavidades ópticas. Controlando a geometria da cavidade e a temperatura do vapor atômico, Martinelli e colaboradores conseguiram produzir o acoplamento de fótons em cavidades mais abertas.

“Isso nos trouxe duas vantagens em comparação com as antigas cavidades baseadas em cristais. Permite maior eficiência quântica, fazendo com que o número de fótons fornecidos pela janela de saída supere facilmente o número de fótons perdidos para o ambiente. E possibilita investigar detalhes mais sutis na transição entre a luz de frequências heterogêneas e a produção de feixes intensos de luz com característica laser. Foi como se tivéssemos aberto uma ‘janela indiscreta’ para perscrutar a dinâmica quântica na transição de fase”, afirma o pesquisador.

O horizonte de aplicações inclui metrologia de alta precisão, com a manipulação do ruído quântico da luz. E também a codificação de informações por meio do emaranhamento quântico.

O artigo Quantum NoiseCorrelationsofanOpticalParametricOscillatorBasedon a Nondegenerate Four WaveMixingProcess in Hot AlkaliAtoms pode ser acessado em https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.083601.