Realmente que mundo é esse?

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?

• Função de onda: A matemática que virou realidade

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