Aplicações que vão da criptografia quântica à caracterização de canais ópticos em condições reais colocam uma pesquisa sobre tomografia de feixes vetoriais desenvolvida na Universidade Federal Fluminense (UFF) em posição de destaque no cenário contemporâneo da Física. Ao simplificar o processo de reconstrução de estados quânticos complexos, utilizando apenas medições de intensidade, como imagens obtidas por câmeras, o estudo abre caminho para dispositivos mais acessíveis, robustos e potencialmente escaláveis fora do ambiente controlado dos laboratórios.
Essas são algumas das possibilidades indicadas no artigo “Tomografia Simplificada de Feixe Vetorial a Partir de Medições de Intensidade”, resultado de uma colaboração entre grupos da UFF em Niterói e Volta Redonda, em diálogo com o Laboratório de Óptica Quântica coordenado pelo professor Antonio Zelaquett Khoury. Tendo como um dos autores o também professor da UFF José Augusto Oliveira Huguenin, a pesquisa dá continuidade a um trabalho anterior sobre tomografia de modos espaciais da luz, ampliando-o ao incorporar também o grau de liberdade de polarização, o que permite acessar estados mais ricos, como os chamados feixes vetoriais ou estados de spin-órbita.
Segundo o professor Khoury, o ponto de partida está em uma questão central da informação quântica. “Trata-se da capacidade de codificar a informação em um sistema físico que seja descrito pela Física Quântica”, explica. “No fundo, essas propriedades de um sistema físico onde nós vamos codificar informação quântica são o que a gente chama de graus de liberdade.”
Entre esses graus de liberdade, a luz oferece uma variedade de possibilidades. Além de propriedades como cor e polarização, as estruturas espaciais da luz, isto é, a forma do feixe no plano transversal à propagação, têm ganhado protagonismo. “Quando você liga um laser, normalmente você vê um feixe redondo. Isso é um modo específico de propagação, mas você pode gerar modos mais complexos”, afirma Khoury. “Inclusive, você pode usar essa propriedade como um grau de liberdade para codificar a informação.”
Essa abordagem permite ir além dos qubits tradicionais. “Quando você usa a luz estruturada, em vez de ter só zero ou um, você pode ter mais valores, zero, um, dois, três, e fazer superposições.” Essa capacidade, prossegue Khoury, é relevante para aumentar a densidade de informação e a segurança em protocolos quânticos.
No entanto, explorar esse potencial exige ferramentas precisas de caracterização. É nesse ponto que entra a tomografia quântica, processo de reconstrução da matriz densidade, que contém toda a informação acessível sobre o estado do sistema. “A matriz densidade de um sistema físico contém toda a informação que ele pode ter”, ressalta Khoury. “Cada vez mais têm surgido correlações quânticas e conceitos que dependem da matriz de densidade.”
Entre essas correlações está a discórdia quântica. “Mesmo sem emaranhamento, você tem quanticalidade do sistema”, explica Huguenin. “Para obter a medida da discórdia, você precisa da matriz de densidade.”
No entanto, reconstruir essa matriz em sistemas que combinam diferentes graus de liberdade, como modo espacial e polarização, é uma tarefa complexa, que vinha sendo investigada no laboratório do professor Huguenin. Tradicionalmente, isso envolve o uso de elementos ópticos sofisticados, como conversores de modo baseados em lentes cilíndricas ou prismas de Dove, que carregam limitações práticas importantes.
“Há uma perda muito grande de informação devido ao astigmatismo desses elementos”, explica Huguenin. “São elementos ópticos muito difíceis de alinhar.” Ele destaca que, em experimentos anteriores, essas limitações afetavam diretamente a qualidade dos resultados. “Os estados que eram bem preparados acabavam dando resultados com muitos erros devido a esse astigmatismo.”
A nova abordagem contorna esse problema ao eliminar a necessidade desses elementos. Em vez disso, utiliza apenas medições de intensidade, isto é, imagens. “Codificando informação nas propriedades de luz estruturada e apenas com medidas de imagens, ou seja, de intensidade, nós éramos capazes de fazer a tomografia desses estados”, afirma Khoury. “São medidas mais simples que podem ser feitas com uma câmera.”
A ideia de combinar essa técnica com a polarimetria surgiu de forma colaborativa, em discussões durante a Escola de Paraty. “Houve uma conjectura inicial de que as imagens obtidas a partir das projeções em polarização possuem a informação necessária para a tomografia total.”
A partir daí, o trabalho evoluiu com intensa interação entre estudantes e pesquisadores dos dois grupos. “Foram várias reuniões entre os dois grupos, até chegarmos à forma como você vê”, diz. O professor Huguenin complementa, lembrando que o “desafio foi juntar isso para que as medidas de intensidade servissem tanto à polarimetria quanto à análise de imagens.”
O resultado é uma técnica que separa, mas ao mesmo tempo integra, os diferentes graus de liberdade. “Basicamente, é um trabalho independente de cada grau de liberdade, mas o desafio foi conectar isso”, resume Huguenin.
As aplicações são diversas e vão além do interesse acadêmico. Na comunicação quântica, por exemplo, a técnica pode ser usada para identificar estados transmitidos por um canal sujeito a perturbações. “Qualquer protocolo de comunicação quântica exige distinção desses estados”, afirma Khoury. “Você pode aplicar para detectar e, sobretudo, identificar esses estados.”
Um exemplo concreto é a distribuição de chaves quânticas. “Introduzindo o grau de liberdade transverso, você pode se livrar da dependência de alinhamento”, explica. Isso é particularmente relevante em cenários como comunicação via satélite. “Se você quiser usar o protocolo entre estações que estão em movimento, onde a orientação relativa pode variar, você pode se beneficiar de um protocolo que dispense essa necessidade de recalibração.”
Além disso, a técnica é valiosa para a caracterização de canais de comunicação. “Você quer saber como os estados chegam após passar pela perturbação atmosférica”, diz. “Para isso, você acaba tendo que fazer tomografia.”
Nesse contexto, iniciativas como a Rede Rio Quântica surgem como plataformas ideais para testar essas tecnologias em condições reais. “A gente está tentando construir algo como um laboratório em larga escala, onde a gente possa testar tecnologias e ideias em condições reais de aplicação”, vislumbra Huguenin.
Os próximos passos da pesquisa seguem nessa direção. Um dos focos é aprimorar ainda mais a eficiência da técnica. “Há figuras de mérito metrológicas que qualificam o processo de tomografia em termos de eficiência e rapidez”, explica Huguenin. “Estamos investigando outras formas de fazer a tomografia de modos espaciais.”
Outro desafio é levar a técnica para fora do laboratório, a serviço de problemas mais realísticos. “Precisamos entender como vai se portar essa caracterização num experimento real de distribuição de chave”, ressalta Huguenin.
Há ainda questões em aberto relacionadas ao uso de múltiplos graus de liberdade de forma simultânea. “A pergunta é, o aumento da dimensão, você ir para emaranhamento de diferentes graus de liberdade, te traz alguma segurança maior para a distribuição de chaves?”, questiona Khoury. “Essa é uma pergunta que a gente quer responder.”
Por fim, os pesquisadores destacam o papel central da colaboração científica. “Esse trabalho mostra a importância do diálogo entre diferentes grupos de pesquisa”, afirma Huguenin. Khoury acrescenta que a participação ativa dos estudantes também foi determinante. “Eles mostraram uma maturidade realmente singular. Fizeram várias reuniões e combinaram várias coisas independentemente dos orientadores.”
Assista à entrevista
Por Leandro Haberli
