Pesquisa quântica vira ‘gato de Schrödinger’ de ponta-cabeça

Pesquisadores de física quântica desenvolveram um método que viabiliza a transformada fracional de Fourier de pulsos ópticos por meio de memória quântica. A conquista desse estudo é única no mundo, pois a equipe foi a primeira a apresentar uma implementação experimental dessa transformação neste tipo de sistema.

Para quem tem pressa:

O estudo foi realizado por alunos da Faculdade de Física, em parceria com pesquisadores do QOT (Centro de Tecnologias Quânticas Ópticas). Tanto a faculdade quanto o centro são da Universidade de Varsóvia, na Polônia. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista científica Physical Review Letters.

Glossário

Antes de entender o estudo, você precisa conhecer dois conceitos. São eles:

A transformada fracional de Fourier (TFrFT, do inglês “Fractional Fourier Transform”) é uma extensão da transformada de Fourier clássica que permite a análise de sinais com uma perspectiva diferente.

Enquanto a transformada de Fourier clássica descreve a decomposição de um sinal em suas componentes de frequência, a TFrFT introduz um parâmetro adicional que controla a quantidade de rotação aplicada ao sinal no domínio do tempo-frequência.

Ela é usada em várias aplicações para obter informações adicionais e explorar propriedades específicas dos sinais.

O “gato de Schrödinger” é uma ilustração imaginária proposta pelo físico Erwin Schrödinger em 1935 para ilustrar o conceito paradoxal da superposição quântica. O experimento mental envolve um gato hipotético, uma caixa fechada e um dispositivo de decaimento radioativo.

O experimento do “gato de Schrödinger” foi proposto para destacar a natureza estranha e não intuitiva da mecânica quântica, onde sistemas podem estar em estados de superposição até serem observados.

Embora seja um exemplo puramente teórico, ele levanta questões sobre a interpretação e os limites da teoria quântica.

Outros conceitos envolvidos

Em seu trabalho, os alunos testaram a implementação da transformada fracional de Fourier usando um pulso óptico duplo, também conhecido como estado “gato de Schrödinger”.

As ondas, como a luz, têm propriedades próprias — duração e frequência do pulso (correspondente, no caso da luz, à sua cor). Acontece que essas características estão relacionadas entre si por meio da transformada de Fourier. Ela permite passar da descrição de uma onda no tempo para a descrição de seu espectro em frequências.

Por isso, as transformadas de Fourier (tanto a clássica quanto fracionada) são excepcionalmente úteis no projeto de filtros espectrotemporais especiais. Elas servem para eliminar o ruído e permitir a criação de algoritmos. Esses algoritmos, por sua vez, permitem usar a natureza quântica da luz para distinguir pulsos de diferentes frequências com mais precisão.

Isso é especialmente importante na espectroscopia, que ajuda a estudar as propriedades químicas da matéria, e nas telecomunicações, que requer a transmissão e o processamento de informações com alta precisão e velocidade.

Uma lente de vidro comum é capaz de focalizar um feixe monocromático de luz que incide sobre ela em quase um único ponto (foco). Alterar o ângulo de incidência da luz na lente resulta numa mudança na posição do foco.

Isso nos permite converter ângulos de incidência em posições, obtendo a analogia da transformada de Fourier, no espaço de direções e posições. Um espectrômetro clássico baseado em uma grade de difração usa esse efeito para converter as informações de comprimento de onda da luz em posições, permitindo-nos distinguir entre as linhas espectrais.

Da mesma forma que as lentes de vidro, as lentes de tempo e frequência permitem a conversão da duração de um pulso em sua distribuição espectral ou a realização de uma transformada de Fourier no tempo e no espaço de frequência.

A seleção correta das potências de tais lentes possibilita a realização de uma transformada fracional de Fourier. No caso dos pulsos ópticos, a ação das lentes de tempo e frequência corresponde à aplicação de fases quadráticas ao sinal.

‘Gato de Schrödinger’ de ponta-cabeça

Para processar o sinal, os pesquisadores usaram uma memória quântica – memória equipada com processamento de luz quântica – baseada numa nuvem de átomos de rubídio colocados numa armadilha magneto-óptica.

Os átomos foram resfriados e a memória foi colocada num campo magnético variável. Isso permitiu que componentes de diferentes frequências fossem armazenados em diferentes partes da nuvem. O pulso foi submetido a uma lente de tempo durante a escrita e leitura – e uma lente de frequência atuou sobre ele durante o armazenamento.

O dispositivo desenvolvido na universidade permite a implementação dessas lentes numa gama muito ampla de parâmetros e de forma programável. Um pulso duplo é muito propenso à descoerência, por isso é frequentemente comparado ao famoso “gato de Schrödinger”. Ainda assim, a equipe conseguiu implementar operações fiéis nesses frágeis estados de pulso duplo.

Antes da aplicação direta em telecomunicações, o método deve primeiro ser mapeado para outros comprimentos de onda e faixas de parâmetros. A Transformada fracional de Fourier, no entanto, pode ser crucial para receptores ópticos em redes de última geração, incluindo links ópticos de satélite. Um processador de luz quântica desenvolvido na universidade permite encontrar e testar esses novos protocolos de maneira eficiente.

Com informações de Physical Review Letters