Pesquisadores da Universidade de Tampere e seus colaboradores da Alemanha e da Índia confirmaram experimentalmente que o momento angular é conservado quando um único fóton é convertido em um par – validando pela primeira vez um princípio fundamental da física no nível quântico. Essa descoberta abre novas possibilidades para a criação de estados quânticos complexos úteis em computação, comunicação e sensoriamento.
As leis de conservação são o coração de nossa compreensão científica natural, pois regulam quais processos são permitidos ou proibidos. Um exemplo simples é o das bolas de bilhar colidindo, onde o movimento – e, com ele, seu momento linear – é transferido de uma bola para outra. Uma regra de conservação semelhante também existe para objetos em rotação, que possuem momento angular. Curiosamente, a luz também pode ter um momento angular, por exemplo, o momento angular orbital (OAM), que está relacionado à estrutura espacial da luz.
No reino quântico, isso implica que partículas individuais de luz, chamadas de fótons, possuem quanta bem definidos de OAM, que precisam ser conservados nas interações luz-matéria. Em um estudo recente na Physical Review Letters, pesquisadores da Universidade de Tampere e seus colaboradores levaram o teste dessas leis de conservação ao limite quântico absoluto. Eles exploraram se a conservação de quanta de OAM se mantém quando um único fóton é dividido em um par de fótons.
Um menos um é igual a zero
A regra de conservação dita, por exemplo, que quando um fóton com zero OAM é dividido em dois fótons, os quanta de OAM de ambos os fótons devem somar zero. Assim, se um dos fótons recém-gerados for encontrado com um quanta de OAM, seu fóton parceiro deve ter o oposto, ou seja, um quanta de OAM negativo. Em outras palavras, a fórmula simples 1 + (-1) = 0 deve ser verdadeira. Embora essas regras de conservação tenham sido testadas e utilizadas em uma infinidade de experimentos óticos com um laser, nunca foram testadas para um único fóton.
“Nossos experimentos mostram que o OAM é de fato conservado mesmo quando o processo é impulsionado por um único fóton. Isso confirma uma lei de conservação fundamental no nível mais básico, que, em última análise, se baseia na simetria do processo”, explica a Dra. Lea Kopf, que é a autora principal do estudo.
Encontrando a agulha fotônica no feno do laboratório
Os experimentos da equipe dependem de medições delicadas, pois os processos ópticos não lineares necessários são muito ineficientes. Apenas um em cada bilhão de fótons é convertido em um par de fótons, de modo que medir a conservação do OAM para fótons únicos se assemelha à proverbial busca pela agulha no palheiro.
Um arranjo óptico extremamente estável, baixo ruído de fundo, um esquema de detecção com a mais alta eficiência possível e muita resistência experimental permitiram que os pesquisadores registrassem conversões bem-sucedidas suficientes para confirmar a lei fundamental de conservação.
Além de confirmar a conservação do OAM, a equipe observou as primeiras indicações de entrelaçamento quântico nos pares de fótons gerados, o que sugere que a técnica pode ser ampliada para criar estados quânticos fotônicos mais complexos.
“Este trabalho não é apenas de importância fundamental, mas também nos aproxima de gerar novos estados quânticos, onde os fótons estão entrelaçados de todas as maneiras possíveis, ou seja, em espaço, tempo e polarização”, acrescenta o Prof. Robert Fickler, que lidera o grupo de Óptica Quântica Experimental onde o experimento foi realizado.
Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam melhorar a eficiência geral de seu esquema e desenvolver melhores estratégias para medir o estado quântico gerado, de modo que no futuro essas agulhas fotônicas possam ser encontradas mais facilmente no palheiro do laboratório. Além disso, os pesquisadores pretendem aproveitar os estados quânticos de múltiplos fótons gerados para novos testes quânticos fundamentais e aplicações de fotônica quântica, como comunicação quântica e esquemas de rede.
