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Inventada em 1970 pela Corning Incorporated, a fibra óptica de baixa perda tornou-se o melhor meio para transportar informações de forma eficiente de um lugar para outro por longas distâncias sem perda de informações. A forma mais comum de transmissão de dados hoje em dia é através de fibras ópticas convencionais – um único canal de núcleo transmite as informações. No entanto, com o aumento exponencial da geração de dados, esses sistemas estão atingindo os limites da capacidade de transporte de informações. Assim, a pesquisa agora se concentra em encontrar novas maneiras de utilizar todo o potencial das fibras, examinando sua estrutura interna e aplicando novas abordagens à geração e transmissão de sinais. Além disso, as aplicações em tecnologia quântica são possibilitadas pela extensão dessa pesquisa da luz clássica à luz quântica.
No final dos anos 50, o físico Philip W. Anderson (que também fez importantes contribuições para a física de partículas e supercondutividade) previu o que hoje é chamado de localização de Anderson. Por essa descoberta, ele recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1977. Anderson mostrou teoricamente sob quais condições um elétron em um sistema desordenado pode se mover livremente através do sistema como um todo, ou ser preso a uma posição específica como um “elétron localizado”. Este sistema desordenado pode ser, por exemplo, um semicondutor com impurezas.
Mais tarde, a mesma abordagem teórica foi aplicada a uma variedade de sistemas desordenados, e deduziu-se que também a luz poderia experimentar a localização de Anderson. Experiências anteriores demonstraram a localização de Anderson em fibras ópticas, realizando o confinamento ou localização da luz — luz clássica ou convencional — em duas dimensões enquanto a propagava através da terceira dimensão. Embora esses experimentos tenham mostrado resultados bem-sucedidos com luz clássica, até agora ninguém havia testado esses sistemas com luz quântica – luz que consiste em estados quânticos correlacionados. Isto é, até recentemente.
Em um estudo publicado em Communications Physics, os pesquisadores do ICFO Alexander Demuth, Robing Camphausen, Alvaro Cuevas, liderados pelo Prof. ICREA Valerio Pruneri do ICFO, em colaboração com Nick Borrelli, Thomas Seward, Lisa Lamberson e Karl W. Koch da Corning, juntamente com Alessandro Ruggeri da Micro Photon Devices (MPD) e Federica Villa e Francesca Madonini do Politecnico di Milano, conseguiram demonstrar com sucesso o transporte de estados quânticos de luz de dois fótons através de uma fibra óptica de localização de Anderson separada por fase (PSF).
Uma fibra óptica convencional versus uma fibra de localização de Anderson
Ao contrário das fibras ópticas monomodo convencionais, onde os dados são transmitidos através de um único núcleo, uma fibra separada por fase (PSF) ou fibra de localização de Anderson separada por fase é feita de muitos fios de vidro embutidos em uma matriz de vidro de dois índices de refração diferentes. Durante sua fabricação, à medida que o vidro borosilicato é aquecido e fundido, ele é transformado em uma fibra, onde uma das duas fases de diferentes índices de refração tende a formar fios de vidro alongados. Como existem dois índices de refração dentro do material, isso gera o que é conhecido como desordem lateral, que leva à localização transversa (2D) da luz de Anderson no material.
Especialistas em fabricação de fibra óptica, a Corning criou uma fibra óptica que pode propagar vários feixes ópticos em uma única fibra óptica aproveitando a localização de Anderson. Ao contrário dos feixes de fibra multicore, este PSF mostrou-se muito adequado para tais experimentos, uma vez que muitos feixes ópticos paralelos podem se propagar através da fibra com espaçamento mínimo entre eles.
A equipe de cientistas, especialistas em comunicações quânticas, queria transportar informações quânticas da maneira mais eficiente possível por meio da fibra óptica de separação de fases da Corning. Em experimento, o PSF conecta um transmissor e um receptor. O transmissor é uma fonte de luz quântica (construída pela ICFO). A fonte gera pares de fótons correlacionados quânticos via conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC) em um cristal não linear, onde um fóton de alta energia é convertido em pares de fótons, cada um com menor energia. Os pares de fótons de baixa energia têm um comprimento de onda de 810 nm. Devido à conservação do momento, surge a anticorrelação espacial. O receptor é uma câmera de arranjo de diodo de avalanche de fóton único (SPAD), desenvolvida pela Polimi e MPD. A câmera de matriz SPAD, ao contrário das câmeras CMOS comuns, é tão sensível que pode detectar fótons únicos com ruído extremamente baixo; ele também tem resolução de tempo muito alta, de modo que o tempo de chegada dos fótons individuais é conhecido com alta precisão.
luz quântica
A equipe do ICFO projetou a configuração óptica para enviar a luz quântica através da fibra de localização de Anderson separada por fase e detectou sua chegada com a câmera de matriz SPAD. A matriz SPAD permitiu não apenas detectar os pares de fótons, mas também identificá-los como pares, pois eles chegam ao mesmo tempo (coincidentes). Como os pares são correlacionados quântica, saber onde um dos dois fótons é detectado nos informa a localização do outro fóton. A equipe verificou essa correlação logo antes e depois de enviar a luz quântica através do PSF, mostrando com sucesso que a anticorrelação espacial dos fótons foi de fato mantida.
Após essa demonstração, a equipe do ICFO começou a mostrar como melhorar seus resultados em trabalhos futuros. Para isso, eles realizaram uma análise de escala, a fim de descobrir a distribuição de tamanho ideal dos fios de vidro alongados para o comprimento de onda da luz quântica de 810 nm. Após uma análise minuciosa com luz clássica, eles foram capazes de identificar as limitações atuais da fibra com separação de fases e propor melhorias de sua fabricação, a fim de minimizar a atenuação e a perda de resolução durante o transporte.
Os resultados deste estudo mostraram que esta abordagem é potencialmente atraente para processos de fabricação escaláveis em aplicações do mundo real em imagens quânticas ou comunicações quânticas, especialmente para os campos de endoscopia de alta resolução, distribuição de emaranhamento e distribuição de chaves quânticas.
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