Uma equipe de pesquisa internacional, que inclui cientistas da UAB, publicou uma nova revisão na Nature Photonics examinando um campo em rápido crescimento conhecido como luz quântica estruturada. Esta abordagem está transformando a forma como a informação pode ser transmitida, medida e processada, unindo a ciência da informação quântica com padrões de luz cuidadosamente projetados no espaço e no tempo. O resultado são fótons que podem carregar muito mais informações do que era possível anteriormente.
Os pesquisadores descrevem como controlar várias propriedades da luz ao mesmo tempo, incluindo polarização, modos espaciais e frequência, torna possível criar estados quânticos de alta dimensão. Nesse contexto, os qubits padrão (bidimensionais, com fótons em superposição de dois estados quânticos) são substituídos por qudits (com mais de duas dimensões). Essa mudança expande significativamente o que os sistemas quânticos podem fazer e abre novos caminhos em várias áreas da ciência e tecnologia.
Na comunicação quântica, esses fótons de alta dimensão aumentam a segurança ao embutir mais informações em cada partícula de luz. Eles também permitem que muitos canais de comunicação operem ao mesmo tempo, melhorando a tolerância a erros e ao ruído de fundo. Para a computação quântica, a luz estruturada pode simplificar os designs de circuitos e acelerar o processamento, enquanto possibilita a criação de estados quânticos complexos necessários para simulações avançadas.
Avanços em Imagem, Sensoriamento e Pesquisa de Materiais
A luz quântica estruturada também está impulsionando o progresso em imagem e medição. Os pesquisadores apontam para técnicas de resolução aprimoradas — como o recente desenvolvimento do microscópio quântico holográfico, que permite obter imagens de amostras biológicas delicadas — juntamente com sensores extremamente sensíveis que dependem de correlações quânticas. Além dessas aplicações, a luz estruturada pode ser usada para simular sistemas quânticos complexos, ajudando os cientistas a modelar como as moléculas interagem dentro de redes e potencialmente orientando a descoberta de novos materiais.
Dupla Década de Progresso Rápido
Segundo o Professor Andrew Forbes, autor correspondente da Universidade de Witwatersrand, em Joanesburgo, o campo evoluiu dramaticamente nos últimos 20 anos. “A personalização de estados quânticos, onde a luz quântica é projetada para um propósito específico, acelerou-se recentemente, finalmente começando a mostrar todo o seu potencial. Vinte anos atrás, as ferramentas para isso eram praticamente inexistentes. Hoje temos fontes em chip de luz quântica estruturada que são compactas e eficientes, capazes de criar e controlar estados quânticos.”
Apesar desse impulso, desafios permanecem. “Embora tenhamos feito progressos incríveis, ainda existem questões desafiadoras,” diz Forbes. “O alcance da luz estruturada, tanto clássica quanto quântica, permanece muito baixo, mas isso também é uma oportunidade, estimulando a busca por graus de liberdade mais abstratos para explorar.”
Da Curiosidade Científica a Ferramenta Prática
O pesquisador Adam Vallés, do Grupo de Óptica do Departamento de Física da UAB, afirma que o campo alcançou um momento crítico. “Estamos em um ponto de virada: a luz quântica estruturada não é mais apenas uma curiosidade científica, mas uma ferramenta com potencial real para transformar comunicação, computação e processamento de imagens.” Vallés enfatiza o papel da UAB como um grande contribuinte para esse progresso por meio de sua colaboração com Forbes, citando “avanços de grande impacto internacional, como a teletransporte estimulado de informação quântica codificada em altas dimensões, o design de cavidades a laser para gerar estados complexos de alta pureza e, no campo da criptografia, a distribuição de chaves quânticas robustas diante de obstáculos que bloqueiam canais de comunicação.”
Uma Colaboração Global Apoiada pela Catalunha
O artigo de revisão, destacado como artigo de capa da edição de novembro de 2025 da Nature Photonics, reflete uma parceria de longa data entre Vallés e o grupo de pesquisa em luz estruturada liderado por Forbes na Faculdade de Física da Universidade de Witwatersrand, em Joanesburgo, África do Sul. O trabalho também foi apoiado pela Catalonia Quantum Academy (CQA), uma iniciativa colaborativa coordenada pelo Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) e promovida pelo Governo da Catalunha, que visa fortalecer a educação e o desenvolvimento de talentos em ciências e tecnologias quânticas em toda a região.