Informações latentes transportadas por fótons permitem espectrômetro superpreciso

Dois pesquisadores da Universidade de Varsóvia desenvolveram um espectrômetro de super-resolução inspirado em quantum para pulsos curtos de luz. O dispositivo projetado no Quantum Optical Devices Lab no Centre for Quantum Optical Technologies, Centre of New Technologies e Faculty of Physics UW oferece uma melhoria de mais de duas vezes na resolução em comparação com abordagens padrão. No futuro, ele pode ser miniaturizado em um chip fotônico e aplicado em redes ópticas e quânticas, bem como em estudos espectroscópicos da matéria.

A pesquisa foi publicada em ÓPTICO.

As cores trazem informações

A tarefa da espectroscopia é estudar as várias cores, ou seja, o espectro, da luz. Uma substância química emitirá suas cores características pelas quais pode ser identificada. Similarmente, uma estrela distante também terá um espectro específico de luz, através do qual suas propriedades astrofísicas, como tamanho ou idade, podem ser entendidas.

Diferentes cores de luz também são usadas para transmitir informações por canais em redes de fibra, semelhantes a diferentes bandas de rádio que são usadas para transmitir muitos canais ao mesmo tempo. Esses canais ópticos estão no centro das redes ópticas intercontinentais e também são essenciais para futuras redes quânticas seguras. Em todos esses casos, uma tarefa difícil é distinguir canais próximos ou linhas espectroscópicas.

Acredita-se que, se os canais se sobrepõem, eles são quase impossíveis de distinguir — uma propriedade estudada por John William Strutt, Lord Rayleigh, mais tarde denominada critério de Rayleigh.

Quantum para o resgate

O progresso na ciência da informação quântica permitiu que pesquisadores entendessem que a tradicional chamada imagem direta ou espectroscopia descarta parte da informação que é transportada na fase do complexo campo eletromagnético da luz. As técnicas de super-resolução inspiradas no quantum transformam o complexo campo eletromagnético antes que ele seja detectado para usar de forma otimizada essa informação latente.

O princípio de funcionamento do dispositivo — Super-resolução de pulsos ultrarrápidos via inversão espectral (SUSI) — é muito semelhante aos chamados métodos de super-resolução inspirados em quantum em imagens. O maior desafio era como traduzir essas ideias para o reino do tempo e da frequência.

Na imagem quântica super-resolvida, a luz vinda do objeto é dividida em dois braços de um interferômetro. Um braço contém um dispositivo que inverte (vira) a imagem. Então a parte invertida interfere com a original. Agora, por exemplo, se houver apenas um pequeno emissor perfeitamente alinhado com o eixo de inversão, sua imagem invertida será idêntica à original.

Neste caso, os pesquisadores não veriam fótons em uma das portas do interferômetro. No entanto, assim que o emissor fosse movido, sua imagem invertida se tornaria diferente da original e fótons apareceriam naquela porta. O número deles é um ótimo indicador de quanto o emissor foi movido. Levando este exemplo um passo adiante, imagine dois emissores que são separados simetricamente em torno do eixo de inversão.

Cada emissor contribuirá para os fótons contados da mesma forma, portanto eles medem a separação entre dois emissores. Como em toda medição, ela tem uma precisão limitada, mas acontece que essa precisão pode ser significativamente melhor em comparação a apenas obter imagens diretas dos emissores com uma câmera.

Manipulando o tempo e a cor

No reino do tempo e da frequência, essas ideias ainda se mantêm. Em vez de pensar em pequenos emissores, concentre-se em pulsos de luz. Os pulsos aparecem ao mesmo tempo, mas cada um tem uma cor ligeiramente diferente, porque vêm de diferentes canais ópticos ou diferentes linhas espectroscópicas.

Em uma abordagem padrão, em vez de olhar diretamente para uma câmera, primeiro usaríamos um dispositivo dispersivo, como uma grade de difração ou um prisma, que enviaria frequências diferentes para posições diferentes no sensor da câmera. Com dois pulsos bem separados, essas distribuições de frequência se sobreporão, limitando a precisão com a qual a separação pode ser medida. Com o SUSI, essa precisão pode ser melhorada.

Mas como a inversão sobre as frequências pode ser implementada? Resolver esse problema foi um passo crucial no projeto do SUSI. Uma observação fundamental foi que, em vez de colocar um inversor em um único braço do interferômetro, os pesquisadores poderiam obter o mesmo resultado com uma Transformada de Fourier em um braço e uma Transformada de Fourier inversa no segundo braço.

Tal design cria um dispositivo muito equilibrado e escalável, que foi então construído pelo aluno de doutorado Michał Lipka sob a supervisão do Dr. Michał Parniak, líder de equipe no Quantum Optical Devices Lab e professor assistente na Optics Division, Faculdade de Física da UW. Ambos os braços do interferômetro têm perdas comparáveis, e os dispositivos para a transformada de Fourier inversa e direta são muito semelhantes.

Além disso, todos os elementos usados ​​no interferômetro SUSI já podem ser implementados em um chip fotônico, tornando o SUSI muito aplicável e integrável em superespectrômetros ou dispositivos para redes ópticas, proporcionando assim uma melhoria de pelo menos duas vezes na resolução em comparação aos dispositivos atuais.