Yin-Yang quântico visto em experimento revolucionário

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Pesquisadores da Universidade de Ottawa, em colaboração com as universidades de Roma, desenvolveram uma nova técnica que permite a visualização em tempo real da função de onda de dois fótons entrelaçados, as partículas elementares que constituem a luz. Esta técnica é baseada em tecnologia de câmera avançada e representa uma abordagem rápida e eficiente para reconstruir o estado quântico completo de partículas entrelaçadas.

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A partir da analogia de um par de sapatos, o conceito de entrelaçamento pode ser comparado a selecionar um sapato ao acaso. No momento em que você identifica um sapato, a natureza do outro sapato (se é o esquerdo ou o direito) é discernida instantaneamente, independentemente de sua localização no Universo. No entanto, o fator intrigante é a incerteza inerente associada ao processo de identificação até o exato momento da observação.

A função de onda, que é um conceito central da mecânica quântica, fornece uma compreensão abrangente do estado quântico de uma partícula. No exemplo dos sapatos, a ‘função de onda’ do sapato pode carregar informações como esquerdo ou direito, tamanho, cor, entre outras. Mais precisamente, a função de onda permite que os cientistas quânticos prevejam os resultados prováveis de várias medições em uma entidade quântica, como posição, velocidade, etc.

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Avanço na tecnologia quântica

A capacidade de previsão proporcionada pela função de onda é inestimável, especialmente no campo em rápido progresso da tecnologia quântica, onde o conhecimento de um estado quântico gerado ou inserido em um computador quântico permitirá testar o próprio computador. Além disso, os estados quânticos usados na computação quântica são extremamente complexos, envolvendo muitas entidades que podem exibir fortes correlações não locais (entrelaçamento). Conhecer a função de onda de um sistema quântico tão complexo é uma tarefa desafiadora, também conhecida como tomografia de estados quânticos.

Técnica avançada para reconstrução do estado quântico

Abordagens padrão, baseadas em operações projetivas, exigem um grande número de medições que aumenta rapidamente com a complexidade do sistema. Experimentos anteriores realizados com essa abordagem demonstraram que caracterizar ou medir o estado quântico de dois fótons entrelaçados pode levar horas ou até mesmo dias. Além disso, a qualidade dos resultados é altamente sensível ao ruído e depende da complexidade da configuração experimental.

No entanto, os pesquisadores da Universidade de Ottawa desenvolveram uma nova técnica baseada em câmeras avançadas que permite a reconstrução mais rápida do estado quântico. Ao registrar eventos com resolução nanossegundo em cada pixel, essa técnica é capaz de capturar a chegada simultânea de dois fótons, resultando em um padrão de interferência que pode ser usado para reconstruir a função de onda desconhecida.

Autores do estudo (Crédito da imagem: Universidade de Ottawa)

Velocidade e escalabilidade

A principal vantagem dessa nova abordagem é a sua velocidade exponencialmente maior em comparação com as técnicas anteriores, exigindo apenas minutos ou segundos em vez de dias para realizar a tomografia. Além disso, o tempo de detecção não é influenciado pela complexidade do sistema, o que soluciona um desafio de escalabilidade enfrentado pela tomografia projetiva.

Os resultados desta pesquisa têm um impacto significativo não apenas na comunidade acadêmica, mas também no avanço da tecnologia quântica. Eles têm o potencial de aprimorar a caracterização do estado quântico, a comunicação quântica e o desenvolvimento de novas técnicas de imagens quânticas.

O estudo, intitulado ‘Imagem interferométrica da amplitude e fase de estados bifold espaciais’, foi publicado na revista Nature Photonics em 14 de agosto de 2023.

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