Pares de fótons emaranhados permitem codificação de imagem oculta

Pesquisadores do Instituto de Nanociência de Paris na Universidade Sorbonne desenvolveram um novo método para codificar imagens em correlações quânticas de pares de fótons, tornando-o invisível para técnicas convencionais de imagem. O estudo foi publicado no periódico Cartas de revisão física.

Fótons emaranhados desempenham um papel crucial em várias aplicações de fotônica quântica, incluindo computação quântica e criptografia. Esses fótons podem ser produzidos por meio de um processo chamado conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC) dentro de um cristal não linear. Durante a SPDC, um único fóton de um laser de bomba de alta energia (azul) é dividido em dois fótons emaranhados de menor energia (infravermelho).

Algumas aplicações exigem tipos específicos de correlações quânticas entre esses fótons, tornando essencial o controle preciso sobre eles. Esse controle pode ser obtido adaptando as propriedades do laser de bombeamento, especialmente sua forma espacial. Explorando essa possibilidade, pesquisadores do Instituto de Nanociência de Paris na Universidade Sorbonne estão propondo um método para estruturar as correlações espaciais dos fótons emaranhados na forma de um determinado objeto.

O experimento consiste em colocar o objeto a ser codificado no plano do objeto de uma lente localizada antes do cristal e então usar uma segunda lente para capturar a imagem na câmera (figura 1a).

Sem o cristal, essa configuração é um sistema de imagem convencional de duas lentes: esperamos observar uma imagem de intensidade (invertida) do objeto na câmera. No entanto, na presença do cristal, ocorre SPDC, produzindo pares de fótons emaranhados no infravermelho.

Se apenas esses pares forem selecionados por um filtro espectral, a intensidade obtida na câmera, após o acúmulo de muitos fótons, parece uniforme e não revela nenhuma informação sobre o objeto (figura 1b). A imagem do objeto reaparece apenas se for reconstruída a partir das correlações espaciais entre os pares de fótons emaranhados (figura 1c), o que envolve detectar a posição de cada fóton em relação ao seu gêmeo emaranhado.

Reconstruir tal imagem requer uma câmera sensível a fótons únicos, juntamente com algoritmos personalizados para identificar coincidências de fótons em cada aquisição e extrair suas correlações espaciais.

A imagem do objeto, inicialmente transmitida pelo feixe de laser azul, é então transferida para as correlações espaciais dos pares de fótons.

Como explica Chloé Vernière, aluna de doutorado e primeira autora do estudo, “Se observarmos o feixe da maneira usual, contando os fótons um por um para formar uma imagem, temos a impressão de que não há informação. Mas se nos concentrarmos nas chegadas simultâneas de fótons e analisarmos como eles são distribuídos espacialmente, um padrão emerge.”

Hugo Defienne, orientador de tese de Chloé e último autor do estudo, acrescenta: “Estamos realmente usando um grau de liberdade de luz pouco explorado — a saber, as correlações espaciais entre fótons — como uma tela na qual imprimimos uma imagem. Agora, queremos usar esse suporte de imagem para desenvolver sistemas de criptografia ou imagens em meios de dispersão.”

Graças à sua flexibilidade e simplicidade experimental, essa abordagem pode permitir o desenvolvimento de novos protocolos de imagem e encontrar aplicações em campos como comunicação quântica e criptografia.

Ao trabalhar nas propriedades do cristal, pode até ser possível codificar várias imagens em um único feixe de pares de fótons. Essas imagens podem ser reveladas movendo a câmera para diferentes planos ópticos, permitindo que mais informações sejam codificadas.