Uma equipe de pesquisa está estudando como a luz se move através de circuitos especiais chamados guias de onda ópticos, usando um conceito chamado topologia. Eles fizeram uma descoberta importante que combina caminhos de luz estáveis ​​com interações de partículas de luz, o que poderia tornar os computadores quânticos mais confiáveis ​​e levar a novos avanços tecnológicos.

A inovação científica surge frequentemente como síntese de conceitos aparentemente não relacionados. Por exemplo, a reciprocidade da eletricidade e do magnetismo abriu o caminho para a teoria da luz de Maxwell, que, até agora, tem sido continuamente refinada e ampliada com ideias da mecânica quântica.

Da mesma forma, o grupo de pesquisa do professor Alexander Szameit do Instituto de Física da Universidade de Rostock explora a evolução da luz em circuitos de guias de ondas ópticos na presença de topologia. Este conceito matemático abstrato foi desenvolvido inicialmente para classificar geometrias sólidas de acordo com suas propriedades globais. Szameit explica: “Em sistemas topológicos, a luz segue apenas as características globais do sistema de guia de ondas. Perturbações locais nos guias de ondas, como defeitos, lacunas e desordem, não podem desviar seu caminho.”

Avanço em interferência de fótons e tecnologias quânticas

Em 1987, os físicos Hong, Ou e Mandel observaram o comportamento de

” dados-gt-translate-attributes=”[{[{“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”}]” tabindex=”0″ role=”link”>fóton pares em um divisor de feixe em um experimento que até recentemente era independente da topologia. Eles descobriram que um fóton, que interfere consigo mesmo devido ao seu comportamento como onda eletromagnética, também é capaz de formar padrões de interferência junto com outras partículas de luz. Além do emaranhamento como outra característica fundamental das partículas de luz quântica, esta descoberta inovadora provou ser um ingrediente instrumental para novas tecnologias quânticas ópticas, incluindo computadores quânticos.

Inovação Quântica através de Proteção Topológica

Num esforço conjunto com colegas da Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, os investigadores conseguiram combinar a propagação topologicamente robusta da luz com a interferência de pares de fotões.

“Este resultado é realmente um marco”, diz Szameit, que há muito tempo busca essa conexão.

Max Ehrhardt, doutorando e primeiro autor do trabalho, continua: “As tecnologias quânticas lutam com uma complexidade cada vez maior. Conseqüentemente, a proteção topológica de elementos ópticos é uma ferramenta de projeto muito necessária para garantir a operação adequada, independentemente das tolerâncias finitas de fabricação dos elementos ópticos.”

Os físicos atribuem o comportamento peculiar observado à natureza quântica da luz: “Pares de fótons que se veem percebem a estrutura do guia de ondas como distorcida. Isso faz com que eles se unam, como se estivessem dançando como um casal na pista de dança distorcida. Os fótons que passam pelo guia de ondas separadamente experimentam apenas uma superfície plana convencional. Então, temos uma diferença topológica”, continua Ehrhardt para explicar o mecanismo.

O cientista sênior do grupo, Dr. Matthias Heinrich, resumindo essas medições fascinantes, disse: “Ficamos surpresos com o quão longe poderíamos deformar nosso sistema de guia de ondas sem qualquer impacto na interferência quântica”.

Direções Futuras em Sistemas Quânticos Topológicos

Szameit já pensa em outras perspectivas a serem investigadas por sua equipe: “Nossos sistemas de guias de onda fornecem um rico conjunto de possibilidades para a construção de sistemas topológicos para a luz. A simbiose com a luz quântica é apenas o começo.”

Referência: “Interferência topológica de Hong-Ou-Mandel” por Max Ehrhardt, Christoph Dittel, Matthias Heinrich e Alexander Szameit, 20 de junho de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.ado8192

Esta pesquisa foi financiada pela Fundação Alemã de Pesquisa, pela União Europeia e pela Fundação Krupp von Bohlen e Halbach.