Nunca se diga que os cientistas não têm olho para o sublime. Ainda mais no mundo quântico dos fótons.

Codificando e decifrando um símbolo chinês da dualidade e da harmonia nos estados quânticos de dois fótons emaranhados, os físicos demonstraram recentemente a eficiência superior de uma nova técnica analítica.

Pesquisadores da Universidade Sapienza de Roma e da Universidade de Ottawa, no Canadá, usaram um método semelhante a uma técnica holográfica popular para medir de forma rápida e confiável informações sobre a posição de uma partícula.

Ao melhorar os métodos existentes para capturar detalhes críticos sobre vários estados em partículas emaranhadas, a equipe espera fornecer aos engenheiros novas ferramentas de computação e imagem que formam a base das tecnologias quânticas.

Os fótons individuais, como qualquer partícula, são melhor descritos como uma gama de possibilidades que evolui lentamente antes que uma medição lhes conceda números concretos e factuais. Polarização, giro, impulso e até mesmo sua posição são tão instáveis ​​quanto uma moeda caindo no ar até que uma mão metafórica a coloque em um estado único.

Se dois fótons compartilham algum tipo de história – como duas moedas tiradas da mesma bolsa – bater em um é tão bom quanto parar o outro no meio do vôo. Por mais emaranhados que estejam, saber algo sobre um lhe dará uma medida do outro, como se ele também estivesse no mesmo lugar.

Os fundamentos deste jogo de azar constituem a base dos computadores quânticos. Numerosas partículas emaranhadas chamadas qubits podem ter um de seus estados lido de maneiras que responderão rapidamente a questões matemáticas especialmente formuladas.

No entanto, por que usar apenas um estado quando as partículas têm tantas características incertas para escolher, transformando simples qubits 2D em qudits “multidimensionais” ?

Para construir uma imagem mais complexa de uma partícula, os físicos podem tomar uma série de medidas, assim como múltiplos raios X são usados ​​para construir uma imagem 3D de um corpo na tomografia computadorizada.

Um grande problema com a adaptação da tomografia quântica para capturar inúmeras dimensões de uma partícula é o trabalho necessário. À medida que o número de estados lidos aumenta, as medições disparam, custando tempo e aumentando drasticamente o risco de erros.

A holografia digital bifotônica poderia mudar isso. Assim como os hologramas convencionais nos permitem recuperar informações 3D de uma superfície 2D, é possível usar a forma como as ondas interferem umas nas outras para inferir dimensões adicionais de forma rápida e precisa a partir de apenas alguns detalhes transportados entre um par de fótons.

Os físicos já usam a interferência de partículas emaranhadas para mapear objetos ocultos no que é conhecido como imagem fantasma. Sabendo apenas o suficiente sobre o posicionamento de um fóton enviado por um único caminho, é possível aprender os segredos da jornada de seu parceiro por uma segunda passagem, sobrepondo suas ondas.

Aplicando truques de holografia, os pesquisadores conseguiram ler informações posicionais na interferência de duas ondas de luz separadas, recuperando informação suficiente para recriar um símbolo yin-yang programado no aparelho gerador de fótons.

Por mais simples que pareça o yin e o yang, esta única imagem estática representa um salto significativo na medição de vários estados quânticos em um curto espaço de tempo.

“Este método é exponencialmente mais rápido do que as técnicas anteriores, exigindo apenas minutos ou segundos em vez de dias”, diz o físico da Universidade de Ottawa, Alessio D’Errico.

“É importante ressaltar que o tempo de detecção não é influenciado pela complexidade do sistema – uma solução para o desafio de longa data da escalabilidade na tomografia projetiva.”

Esta pesquisa foi publicada na Nature Photonics.