Você vê o gato? Resultados experimentais, imagem das correlações.
© Chloé Vernière e Hugo Defienne.
Os fótons emaranhados estão no centro de numerosas aplicações da fotônica quântica, como no cálculo ou na criptografia. Esses fótons podem ser criados pela conversão paramétrica espontânea (SPDC) em um cristal não linear, processo durante o qual um fóton de um laser de excitação de alta energia (azul) é convertido em dois fótons emaranhados de menor energia (infravermelho).
Algumas aplicações exigem correlações quânticas específicas entre os fótons, o que torna seu controle essencial. Para isso, pode-se, por exemplo, modificar as propriedades do laser de excitação, particularmente a forma espacial do feixe.
Explorando essa possibilidade, cientistas do Institut des Nanosciences de Paris (INSP, CNRS / Sorbonne Université) propuseram um método que permite modelar as correlações espaciais entre os fótons emaranhados sob a forma de um perfil bidimensional específico. O experimento consiste em colocar a forma a ser codificada no plano objeto de uma lente posicionada antes do cristal e em visualizá-la com uma segunda lente na câmera (Figura a).
Na ausência do cristal, o sistema é análogo a um sistema de imagem convencional de duas lentes: espera-se observar na câmera uma imagem de intensidade (invertida) do objeto. Na presença do cristal, no entanto, a SPDC produz pares de fótons emaranhados no infravermelho. Se selecionarmos apenas esses pares com o auxílio de um filtro espectral, a intensidade obtida na câmera é homogênea e não revela nenhuma informação sobre a forma (Figura b).
A imagem só reaparece se reconstruirmos uma imagem a partir das correlações espaciais entre os pares de fótons (Figura c), isto é, detectando as posições de cada fóton em relação às de seus gêmeos.
Figura: Resultados experimentais.
a, Dispositivo experimental.
b, Imagem de intensidade na câmera.
c, Imagem das correlações.
A imagem de intensidade não revela nenhuma informação sobre o objeto presente, que pode, no entanto, ser visto na imagem de correlação.
© Chloé Vernière e Hugo Defienne.
Para reconstruir tal imagem, é necessário utilizar uma câmera muito sensível à luz, bem como algoritmos personalizados para identificar as coincidências de fótons em cada aquisição e extrair as correlações espaciais. A imagem do objeto, inicialmente veiculada pelo feixe laser azul, foi então transferida para as correlações espaciais dos pares de fótons. Isso a torna invisível durante uma medição convencional de intensidade (ou seja, ao se tirar uma foto), mas aparece em uma medição de correlações.
Graças à sua flexibilidade e simplicidade experimental, essa abordagem poderia permitir o desenvolvimento de novos protocolos de imagem e encontrar aplicações em áreas como comunicação e criptografia quântica. Trabalhando nas propriedades do cristal, seria até possível codificar várias imagens em um único feixe de pares de fótons, visíveis ao mover a câmera em diferentes planos ópticos, e assim codificar mais informações. Este estudo foi publicado no Physical Review Letters.
Referência:
Hiding images in quantum correlations, Chloé Vernière e Hugo Defienne, Physical Review Letters, publicado em 29 de agosto de 2024.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.093601
Arquivo aberto: arXiv