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Física

Cores emaranhadas

Grupo de São Paulo obtém o entrelaçamento quântico entre três feixes de luz de diferentes comprimentos de onda

EDUARDO CESAROscilador paramétrico óptico: sistema do IF-USP foi usado para produzir o emaranhamentoEDUARDO CESAR

Um esboço da circuitaria interna que poderá ocupar o lugar dos chips de silício e se tornar o coração de um computador quântico ganhou contornos mais concretos graças a um experimento inédito realizado no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP). Uma equipe formada apenas por brasileiros e coor­denada pelos físicos Paulo Nussenz­veig e Marcelo Martinelli, do IF-USP, montou um sistema em que foi possível criar – e até certo ponto controlar – o fenômeno do emaranhamento quântico entre três feixes de luz de diferentes comprimentos de onda. Um feixe era verde e estava na porção visível do espectro e os outros dois se situavam no campo do infravermelho próximo, que não pode ser visto a olho nu. Até então o máximo que outros grupos de cientistas haviam conseguido era entrelaçar quanticamente dois feixes de luz de cores distintas ou vários da mesma frequência. “O emaranhamento de feixes de três cores pode ser útil para a construção de computadores quânticos no futuro”, comenta Nussenzveig. “Em tese, poderíamos montar uma rede com componentes quânticos operando em diferentes frequências.” O trabalho foi  publicado no dia 17 do mês passado na Science Express, versão on-line  da revista científica americana Science.

Além de demonstrar a viabilidade do emaranhamento tricolor, o estudo pioneiro dos brasileiros trouxe uma segunda boa notícia. Os físicos constataram que esse tipo de entrelaçamento pode originar um sistema óptico relativamente robusto, que não se esvai tão facilmente quanto outros modelos mais simples de emaranhamento. Afinal, ninguém quer ter um PC quântico que seja instável por natureza. Alterando levemente a intensidade dos feixes usados no experimento, conseguiram modular o grau de entrelaçamento entre os fótons (partículas de luz) do sistema. Observaram ainda que o fenômeno descrito tecnicamente como a morte súbita do emaranhamento, relatado até agora somente em sistemas mais elementares, também ocorria quando diminuíam a intensidade dos feixes de luz abaixo de um determinado nível. A energia do feixe de laser verde usado para iniciar o experimento na USP é pequena, mas não desprezível: da ordem de 50 miliwatts, dez vezes maior do que a empregada em algumas ponteiras a laser.

Além de Nussenzveig e Martinelli, o time de pesquisadores que fez o trabalho inclui os alunos de pós–graduação Antônio Sales Coelho e Felippe A. Silva Barbosa, todos do IF-USP, e os físicos Katiúscia Cassemiro e Alessandro Villar, hoje no Instituto Max Planck para Ciência da Luz, na Alemanha. O estudo que redundou no emaranhamento tricolor faz parte das pesquisas tocadas pelo Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Informação Quântica (INCT-IQ), coor­denado por Amir Ordacgi Caldeira, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). O instituto é uma iniciativa do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT), por meio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), em parceria com a FAPESP.

Como todo fenômeno quântico, o emaranhamento não pode ser explicado pelas leis da física clássica. Está inserido num mundo com regras próprias, estranhas à compreensão da realidade macroscópica e que flertam com o que os leigos chamam de telepatia. Previsto na década de 1930 e comprovado experimentalmente décadas mais tarde,  o emaranhamento quântico imprime uma assinatura típica num sistema. Se duas ou mais partículas – átomos, elétrons ou fótons, como no experimento da USP – estão conectadas de uma maneira tão íntima que as modificações sofridas por algumas delas também se refletem nas propriedades das outras, independentemente de estarem separadas por nanômetros de distância ou pelo oceano Atlântico, elas formam um sistema com as características do emaranhamento quântico. Ao prever a possibilidade do entrelaçamento, Albert Einstein disse que o misterioso fenômeno era dotado de uma “ação fantasmagórica a distância”.

Do ponto de vista aplicado, essas correlações entre as partículas emaranhadas podem ser exploradas de modo a criar os chamados bits quânticos ou qubits, que, teoricamente, poderiam expandir enormemente a capacidade dos computadores de armazenar, processar, criptografar e transmitir informação. O problema é que o entrelaçamento é um fenômeno frágil, cujos efeitos podem desaparecer devido a ínfimas interferências do ambiente. Os cientistas costumam optar pelos fótons para construir sistemas emaranhados, em vez de átomos ou outras partículas elementares, porque a luz pode ser transmitida por fibras ópticas ou até pelo ar sem perder os efeitos do entrelaçamento.

IF-USPCristal (em azul) amarra quanticamente os três feixes de luz de cores diferentesIF-USP

Para criar o sistema descrito na Science, os pesquisadores montaram um sistema denominado oscilador paramétrico óptico (OPO). Trata-se de um dispositivo que possibilita bombear com um feixe de luz (laser) verde um sistema composto de um cristal especial situado entre dois espelhos. O emaranhamento surge quando o feixe de luz verde atravessa o cristal. Nesse momento há a conversão de fótons verdes em pares de fótons no infraverme­lho, de duas frequências distintas (ver ilustra­­ção na página 50). “É o cristal que ‘amarra’ os três feixes de luz, que cria o emaranhamento”, explica Martinelli. Por fim, os novos feixes de luz produzidos, mais o feixe restante de luz verde, são redirecionados para subsistemas de espelhos utilizados para medir suas propriedades. “No nosso experimento há tantos fótons emaranhados que não é possível contá-los”, diz Nussenzveig.

Há quatro anos o grupo da USP tinha obtido sucesso em criar o entrelaçamento quântico com apenas dois feixes de luz. No ano seguinte os físicos publicaram um artigo prevendo a possibilidade de emaranhar uma trinca de feixes, feito que agora demonstraram experimentalmente ser possível. Mas não foi um processo fácil. Quando iniciaram as tentativas de criar o emaranhamento tricolor, depararam com um problema frequente na ciência: os resultados práticos não batiam com as projeções teóricas. Existia uma fonte de contaminação que dificultava o registro do emaranhamento. “Havia um ruído da luz que era intrínseco ao sistema, de natureza quântica”, diz Martinelli. “Mas havia outro tipo de ruído, ruim, que atrapalhava as medições.” Eles precisavam entender a origem da interferência e eliminá-la do sistema.

Nos experimentos com o oscilador paramétrico óptico os físicos usualmente trabalham à temperatura ambiente. No entanto, a estratégia não funcionava na busca pelo entrelaçamento de três feixes diferentes de luz. Os pesquisadores descobriram que, nesse caso, era preciso resfriar o cristal abaixo de uma temperatura para retirar o ruído indesejável do sistema. O calor do ambiente, acima dos 20°C, fazia o cristal vibrar e produzia as interferências. A saída foi manter o cristal a -23°C e, assim, foram criadas as condições para que o entrelaçamento fosse medido de forma satisfatória.

É interessante notar que a pesquisa brasileira tem dado contribuições importantes ao estudo do emaranhamento quântico. Além da equipe de Nussenzveig e Martinelli, outros grupos de pesquisa publicaram artigos em periódicos de renome internacional. Em abril de 2006 o grupo de Luiz Davidovich, da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), realizou a primeira medição direta do emaranhamento quântico de partículas e publicou o feito na revista científica britânica Nature. Em abril de 2007 a mesma equipe mostrou nas páginas da Science como ocorria o fenômeno da morte súbita do emaranhamento. “Há vários grupos nacionais, teóricos e experimentais, realizando trabalhos na fronteira do conhecimento”, afirma Davidovich. “Eles apresentam uma característica interessante: estão distribuídos em vários estados do Brasil e interagem entre si.”

O projeto
Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Informação Quântica (INCT-IQ) (nº 08/57856-6); Modalidade Programa Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia do MCT/CNPq/FAPESP; Coordena­dor Amir Ordacgi Caldeira – Unicamp; Investimento R$ 1,5 milhão (FAPESP) – para grupos de pesquisa de São Paulo

Artigo científico
COELHO, A.S. et alThree-color entanglementScience Express. Publicado on-line em 17 set. 2009.

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