Nasce a
Holografia Quântica
Redação do Site Inovação Tecnológica -
22/07/2016
Esquema do experimento que gerou o primeiro holograma de um único fóton
- um holograma quântico.[Imagem: FUW/dualcolor.pl/jch]
O que sabemos das leis naturais
Você se envolveria em uma pesquisa
que pretendesse fazer algo que os livros-texto dizem contrariar as leis
fundamentais da física?
Talvez sim, pelo menos se você
fosse um dos cientistas que desbravam a natureza e ajudam a escrever as teorias
que nós costumamos chamar de leis - mas que parecem nunca estar perfeitamente
escritas.
Por exemplo, até agora os físicos
acreditavam que criar um holograma de um único fóton era impossível devido às
leis fundamentais da física porque fótons individuais obedecem às leis da
mecânica quântica, enquanto os hologramas dependem de interferências de feixes
de luz - formados por zilhões de fótons -, que seguem as leis da óptica
clássica.
Mas agora você pode apagar todas
essas "crenças", porque uma equipe de físicos da Universidade de
Varsóvia, na Polônia, acaba de superar todos os desafios e aplicar os conceitos
da holografia clássica para o mundo dos fenômenos quânticos - eles criaram o
primeiro holograma quântico.
Como seria de se esperar, o
impacto dessa realização está ribombando por todos os fundamentos da mecânica
quântica, e certamente ajudará a reescrever muitos livros-texto de física.
Holografia clássica e holografia quântica
"Nós realizamos um
experimento relativamente simples para medir e visualizar algo incrivelmente
difícil de observar: o formato da frente de onda de um único fóton,"
resume o professor Radoslaw Chrapkiewicz.
Simples, mas espetacular.
Para começar, na fotografia os
pontos individuais de uma imagem registram apenas a intensidade da luz. Já na holografia clássica o
fenômeno de interferência registra também a fase das ondas de luz, que
transporta informação sobre a profundidade da imagem.
Para criar um holograma, uma onda
de luz de referência é sobreposta a uma outra onda do mesmo comprimento de
onda, mas refletida de um objeto tridimensional - para essa superposição, os
picos e vales das duas ondas são deslocados em diferentes graus para diferentes
pontos da imagem.
Isto resulta em uma
interferência, criando um complexo padrão de linhas devido às diferenças de
fase entre as duas ondas. Basta então usar um feixe de luz de referência para
iluminar o holograma e recriar a estrutura espacial das frentes das ondas da
luz refletida, recriando assim a forma 3D do objeto.
O problema de ir reduzindo os
feixes de luz até o mínimo possível, até um fóton apenas - para criar um
holograma de um fóton individual - é que a fase dos fótons individuais continua
a flutuar, o que torna a interferência clássica com outros fótons algo
impossível.
Michal Jachura e Radoslaw Chrapkiewicz, principais idealizadores do
experimento que levou ao nascimento da holografia quântica. [Imagem:
FUW/Grzegorz Krzyewski]
Como fazer o impossível
Como a equipe polonesa decidiu
enfrentar uma tarefa aparentemente impossível, eles abordaram a questão de
forma diferente: em vez de usar a interferência clássica das ondas
eletromagnéticas, eles tentaram registrar a interferência quântica quando as
funções de onda dos fótons individuais interagem.
Até agora, não havia um método
experimental simples para obter informações sobre a fase da função de onda de
um fóton individual. Embora a mecânica quântica tenha muitas
aplicações, e venha sendo checada inúmeras vezes com um grande grau
de precisão crescente, ainda não somos capazes de explicar o que de fato são as
funções de onda: serão elas simplesmente uma ferramenta matemática útil, ou são
algo real?
Assim, o experimento
"simples" da equipe é um importante passo para melhorar nossa
compreensão dos princípios fundamentais da mecânica quântica.
"Nosso experimento é um dos
primeiros a permitir observar diretamente um dos parâmetros fundamentais da
função de onda do fóton - a sua fase - nos levando um passo mais perto de
compreender o que a função de onda realmente é," disse Michal Jachura,
principal idealizador do holograma quântico.
Holograma de um único fóton: reconstruído a partir de medições
experimentais (à esquerda) e previsto teoricamente (à direita). [Imagem: FUW]
Primeiro holograma quântico
O experimento começou com um par
de fótons, com frentes de onda planas e polarizações perpendiculares. A
polarização diferente tornou possível separar os fótons em um cristal e tornar
um deles "desconhecido" curvando sua frente de onda com uma lente
cilíndrica.
Os fótons foram então refletidos
por espelhos e direcionados para um divisor de feixe, um cristal de calcita, que não
altera o sentido dos fótons polarizados verticalmente, mas desloca os fótons
polarizados horizontalmente - a fim de fazer com que cada direção fosse
igualmente provável, e para certificar-se de que o cristal funcionava mesmo
como um divisor de feixe, os planos de polarização dos fótons foram inclinados
em 45 graus antes de entrarem no divisor.
Repetindo as medições várias
vezes, os físicos obtiveram uma imagem de interferência correspondente ao
holograma do fóton desconhecido visto a partir de um único ponto no espaço -
surgia diante de seus olhos, ou de seus instrumentos, o primeiro holograma de
um único fóton, um holograma quântico.
Aplicações surpreendentes
Agora que conseguiu reconstruir a
função de onda de um fóton individual, a equipe pretende projetar outros
experimentos para recriar funções de onda de objetos quânticos mais complexos,
tais como átomos.
Mas será que a holografia
quântica irá encontrar aplicações além do laboratório, de forma semelhante à
holografia clássica, que é rotineiramente utilizada em segurança (hologramas
são difíceis de falsificar), entretenimento, transportes (em escâneres de
medição das dimensões de cargas), imagens de microscopia, armazenamento de
dados ópticos e tecnologias de processamento?
"É difícil responder a esta
pergunta hoje. Todos nós - eu me refiro aos físicos - devemos primeiro botar
nossas cabeças para funcionar para entender esta nova ferramenta. É provável
que aplicações reais da holografia quântica não apareçam por algumas décadas
ainda, mas se há uma coisa que podemos ter certeza é que elas serão
surpreendentes," disse o professor Konrad Banaszek.
Bibliografia:
Hologram of a Single Photon
Radoslaw Chrapkiewicz, Michal Jachura, Konrad Banaszek, Wojciech Wasilewski
Nature Photonics
DOI: 10.1038/nphoton.2016.129
Hologram of a Single Photon
Radoslaw Chrapkiewicz, Michal Jachura, Konrad Banaszek, Wojciech Wasilewski
Nature Photonics
DOI: 10.1038/nphoton.2016.129
