Aplica\u00e7\u00f5es que v\u00e3o da criptografia qu\u00e2ntica \u00e0 caracteriza\u00e7\u00e3o de canais \u00f3pticos em condi\u00e7\u00f5es reais colocam uma pesquisa sobre tomografia de feixes vetoriais desenvolvida na Universidade Federal Fluminense (UFF) em posi\u00e7\u00e3o de destaque no cen\u00e1rio contempor\u00e2neo da F\u00edsica. Ao simplificar o processo de reconstru\u00e7\u00e3o de estados qu\u00e2nticos complexos, utilizando apenas medi\u00e7\u00f5es de intensidade, como imagens obtidas por c\u00e2meras, o estudo abre caminho para dispositivos mais acess\u00edveis, robustos e potencialmente escal\u00e1veis fora do ambiente controlado dos laborat\u00f3rios.<\/p>\n\n\n\n
Essas s\u00e3o algumas das possibilidades indicadas no artigo \u201cTomografia Simplificada de Feixe Vetorial a Partir de Medi\u00e7\u00f5es de Intensidade<\/a>\u201d, resultado de uma colabora\u00e7\u00e3o entre grupos da UFF em Niter\u00f3i e Volta Redonda, em di\u00e1logo com o Laborat\u00f3rio de \u00d3ptica Qu\u00e2ntica coordenado pelo professor Antonio Zelaquett Khoury. Tendo como um dos autores o tamb\u00e9m professor da UFF Jos\u00e9 Augusto Oliveira Huguenin, a pesquisa d\u00e1 continuidade a um trabalho anterior sobre tomografia de modos espaciais da luz<\/a>, ampliando-o ao incorporar tamb\u00e9m o grau de liberdade de polariza\u00e7\u00e3o, o que permite acessar estados mais ricos, como os chamados feixes vetoriais ou estados de spin-\u00f3rbita.<\/p>\n\n\n\n Segundo o professor Khoury, o ponto de partida est\u00e1 em uma quest\u00e3o central da informa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica. \u201cTrata-se da capacidade de codificar a informa\u00e7\u00e3o em um sistema f\u00edsico que seja descrito pela F\u00edsica Qu\u00e2ntica\u201d, explica. \u201cNo fundo, essas propriedades de um sistema f\u00edsico onde n\u00f3s vamos codificar informa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica s\u00e3o o que a gente chama de graus de liberdade.\u201d<\/p>\n\n\n\n Entre esses graus de liberdade, a luz oferece uma variedade de possibilidades. Al\u00e9m de propriedades como cor e polariza\u00e7\u00e3o, as estruturas espaciais da luz, isto \u00e9, a forma do feixe no plano transversal \u00e0 propaga\u00e7\u00e3o, t\u00eam ganhado protagonismo. \u201cQuando voc\u00ea liga um laser, normalmente voc\u00ea v\u00ea um feixe redondo. Isso \u00e9 um modo espec\u00edfico de propaga\u00e7\u00e3o, mas voc\u00ea pode gerar modos mais complexos\u201d, afirma Khoury. \u201cInclusive, voc\u00ea pode usar essa propriedade como um grau de liberdade para codificar a informa\u00e7\u00e3o.\u201d<\/p>\n\n\n\n Essa abordagem permite ir al\u00e9m dos qubits tradicionais. \u201cQuando voc\u00ea usa a luz estruturada, em vez de ter s\u00f3 zero ou um, voc\u00ea pode ter mais valores, zero, um, dois, tr\u00eas, e fazer superposi\u00e7\u00f5es.\u201d Essa capacidade, prossegue Khoury, \u00e9 relevante para aumentar a densidade de informa\u00e7\u00e3o e a seguran\u00e7a em protocolos qu\u00e2nticos.<\/p>\n\n\n\n No entanto, explorar esse potencial exige ferramentas precisas de caracteriza\u00e7\u00e3o. \u00c9 nesse ponto que entra a tomografia qu\u00e2ntica, processo de reconstru\u00e7\u00e3o da matriz densidade, que cont\u00e9m toda a informa\u00e7\u00e3o acess\u00edvel sobre o estado do sistema. \u201cA matriz densidade de um sistema f\u00edsico cont\u00e9m toda a informa\u00e7\u00e3o que ele pode ter\u201d, ressalta Khoury. \u201cCada vez mais t\u00eam surgido correla\u00e7\u00f5es qu\u00e2nticas e conceitos que dependem da matriz de densidade.\u201d<\/p>\n\n\n\n Entre essas correla\u00e7\u00f5es est\u00e1 a disc\u00f3rdia qu\u00e2ntica. \u201cMesmo sem emaranhamento, voc\u00ea tem quanticalidade do sistema\u201d, explica Huguenin. \u201cPara obter a medida da disc\u00f3rdia, voc\u00ea precisa da matriz de densidade.\u201d<\/p>\n\n\n\n No entanto, reconstruir essa matriz em sistemas que combinam diferentes graus de liberdade, como modo espacial e polariza\u00e7\u00e3o, \u00e9 uma tarefa complexa, que vinha sendo investigada no laborat\u00f3rio do professor Huguenin. Tradicionalmente, isso envolve o uso de elementos \u00f3pticos sofisticados, como conversores de modo baseados em lentes cil\u00edndricas ou prismas de Dove, que carregam limita\u00e7\u00f5es pr\u00e1ticas importantes.<\/p>\n\n\n\n \u201cH\u00e1 uma perda muito grande de informa\u00e7\u00e3o devido ao astigmatismo desses elementos\u201d, explica Huguenin. \u201cS\u00e3o elementos \u00f3pticos muito dif\u00edceis de alinhar.\u201d Ele destaca que, em experimentos anteriores, essas limita\u00e7\u00f5es afetavam diretamente a qualidade dos resultados. \u201cOs estados que eram bem preparados acabavam dando resultados com muitos erros devido a esse astigmatismo.\u201d<\/p>\n\n\n\n A nova abordagem contorna esse problema ao eliminar a necessidade desses elementos. Em vez disso, utiliza apenas medi\u00e7\u00f5es de intensidade, isto \u00e9, imagens. \u201cCodificando informa\u00e7\u00e3o nas propriedades de luz estruturada e apenas com medidas de imagens, ou seja, de intensidade, n\u00f3s \u00e9ramos capazes de fazer a tomografia desses estados\u201d, afirma Khoury. \u201cS\u00e3o medidas mais simples que podem ser feitas com uma c\u00e2mera.\u201d<\/p>\n\n\n\n A ideia de combinar essa t\u00e9cnica com a polarimetria surgiu de forma colaborativa, em discuss\u00f5es durante a Escola de Paraty. \u201cHouve uma conjectura inicial de que as imagens obtidas a partir das proje\u00e7\u00f5es em polariza\u00e7\u00e3o possuem a informa\u00e7\u00e3o necess\u00e1ria para a tomografia total.\u201d<\/p>\n\n\n\n A partir da\u00ed, o trabalho evoluiu com intensa intera\u00e7\u00e3o entre estudantes e pesquisadores dos dois grupos. \u201cForam v\u00e1rias reuni\u00f5es entre os dois grupos, at\u00e9 chegarmos \u00e0 forma como voc\u00ea v\u00ea\u201d, diz. O professor Huguenin complementa, lembrando que o \u201cdesafio foi juntar isso para que as medidas de intensidade servissem tanto \u00e0 polarimetria quanto \u00e0 an\u00e1lise de imagens.\u201d<\/p>\n\n\n\n O resultado \u00e9 uma t\u00e9cnica que separa, mas ao mesmo tempo integra, os diferentes graus de liberdade. \u201cBasicamente, \u00e9 um trabalho independente de cada grau de liberdade, mas o desafio foi conectar isso\u201d, resume Huguenin.<\/p>\n\n\n\n As aplica\u00e7\u00f5es s\u00e3o diversas e v\u00e3o al\u00e9m do interesse acad\u00eamico. Na comunica\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica, por exemplo, a t\u00e9cnica pode ser usada para identificar estados transmitidos por um canal sujeito a perturba\u00e7\u00f5es. \u201cQualquer protocolo de comunica\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica exige distin\u00e7\u00e3o desses estados\u201d, afirma Khoury. \u201cVoc\u00ea pode aplicar para detectar e, sobretudo, identificar esses estados.\u201d<\/p>\n\n\n\n Um exemplo concreto \u00e9 a distribui\u00e7\u00e3o de chaves qu\u00e2nticas. \u201cIntroduzindo o grau de liberdade transverso, voc\u00ea pode se livrar da depend\u00eancia de alinhamento\u201d, explica. Isso \u00e9 particularmente relevante em cen\u00e1rios como comunica\u00e7\u00e3o via sat\u00e9lite. \u201cSe voc\u00ea quiser usar o protocolo entre esta\u00e7\u00f5es que est\u00e3o em movimento, onde a orienta\u00e7\u00e3o relativa pode variar, voc\u00ea pode se beneficiar de um protocolo que dispense essa necessidade de recalibra\u00e7\u00e3o.\u201d<\/p>\n\n\n\n Al\u00e9m disso, a t\u00e9cnica \u00e9 valiosa para a caracteriza\u00e7\u00e3o de canais de comunica\u00e7\u00e3o. \u201cVoc\u00ea quer saber como os estados chegam ap\u00f3s passar pela perturba\u00e7\u00e3o atmosf\u00e9rica\u201d, diz. \u201cPara isso, voc\u00ea acaba tendo que fazer tomografia.\u201d<\/p>\n\n\n\n Nesse contexto, iniciativas como a Rede Rio Qu\u00e2ntica surgem como plataformas ideais para testar essas tecnologias em condi\u00e7\u00f5es reais. \u201cA gente est\u00e1 tentando construir algo como um laborat\u00f3rio em larga escala, onde a gente possa testar tecnologias e ideias em condi\u00e7\u00f5es reais de aplica\u00e7\u00e3o\u201d, vislumbra Huguenin.<\/p>\n\n\n\n Os pr\u00f3ximos passos da pesquisa seguem nessa dire\u00e7\u00e3o. Um dos focos \u00e9 aprimorar ainda mais a efici\u00eancia da t\u00e9cnica. \u201cH\u00e1 figuras de m\u00e9rito metrol\u00f3gicas que qualificam o processo de tomografia em termos de efici\u00eancia e rapidez\u201d, explica Huguenin. \u201cEstamos investigando outras formas de fazer a tomografia de modos espaciais.\u201d<\/p>\n\n\n\n Outro desafio \u00e9 levar a t\u00e9cnica para fora do laborat\u00f3rio, a servi\u00e7o de problemas mais real\u00edsticos. \u201cPrecisamos entender como vai se portar essa caracteriza\u00e7\u00e3o num experimento real de distribui\u00e7\u00e3o de chave\u201d, ressalta Huguenin.<\/p>\n\n\n\n H\u00e1 ainda quest\u00f5es em aberto relacionadas ao uso de m\u00faltiplos graus de liberdade de forma simult\u00e2nea. \u201cA pergunta \u00e9, o aumento da dimens\u00e3o, voc\u00ea ir para emaranhamento de diferentes graus de liberdade, te traz alguma seguran\u00e7a maior para a distribui\u00e7\u00e3o de chaves?\u201d, questiona Khoury. \u201cEssa \u00e9 uma pergunta que a gente quer responder.\u201d<\/p>\n\n\n\n Por fim, os pesquisadores destacam o papel central da colabora\u00e7\u00e3o cient\u00edfica. \u201cEsse trabalho mostra a import\u00e2ncia do di\u00e1logo entre diferentes grupos de pesquisa\u201d, afirma Huguenin. Khoury acrescenta que a participa\u00e7\u00e3o ativa dos estudantes tamb\u00e9m foi determinante. \u201cEles mostraram uma maturidade realmente singular. Fizeram v\u00e1rias reuni\u00f5es e combinaram v\u00e1rias coisas independentemente dos orientadores.\u201d<\/p>\n\n\n\n Assista \u00e0 entrevista<\/p>\n\n\n\n