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 em 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 cerne da nossa compreensão científica natural, pois governam 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. Interessantemente, a luz também pode ter um momento angular, por exemplo, o momento angular orbital (OAM), que está conectado à estrutura espacial da luz.
No reino quântico, isso implica que partículas individuais de luz, chamadas de fótons, possuem quanta de OAM bem definidos, 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 exploram se a conservação dos quanta de OAM se mantém quando um único fóton é dividido em um par de fósseis.
Um menos um é igual a zero
A regra de conservação dita, por exemplo, que quando um fóton com OAM zero é dividido em dois fótons, os quanta de OAM de ambos os fótons devem somar zero. Assim, se um dos fótons recém-gerados tiver 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 precisa ser mantida. Embora essas regras de conservação tenham sido testadas e utilizadas em uma miríade de experimentos ópticos com 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 é, em última análise, baseada na simetria do processo,” explica Dr. Lea Kopf, que é a autora principal do estudo.
Encontrando a agulha fotônica no monte de palha do laboratório
Os experimentos da equipe dependem de medições delicadas, já que os processos ópticos não lineares necessários são muito ineficientes. Apenas um a 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 conjunto óptico extremamente estável, baixo ruído de fundo, um esquema de detecção com a maior eficiência possível e muita resistência experimental permitiram que os pesquisadores registrassem conversões bem-sucedidas suficientes para confirmar a lei de conservação fundamental.
Além de confirmar a conservação do OAM, a equipe observou as primeiras indicações de emaranhamento 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 significativamente da geração de novos estados quânticos, onde os fótons estão emaranhados 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 monte de palha do laboratório. Além disso, os pesquisadores visam aproveitar os estados quânticos de múltiplos fótons gerados para novos testes quânticos fundamentais e aplicações em fotônica quântica, como comunicação quântica e esquemas de rede.