#109 Fibras ópticas evoluem para fibras quânticas 01/12/22

Inventada em 1970, a fibra óptica de baixa perda tornou-se o melhor meio para transportar informações de forma eficiente de um lugar para outro por longas distâncias sem perda de informações. A forma mais comum de transmissão de dados hoje em dia é através de fibras ópticas convencionais - um único canal de núcleo transmite as informações. No entanto, com o aumento exponencial da geração de dados, esses sistemas estão atingindo os limites da capacidade de transporte de informações. Assim, a pesquisa agora se concentra em encontrar novas maneiras de utilizar todo o potencial das fibras, examinando sua estrutura interna e aplicando novas abordagens à geração e transmissão de sinais. Além disso, as aplicações em tecnologia quântica são possibilitadas pela extensão dessa pesquisa da luz clássica à luz quântica.

No final dos anos 50, o físico Philip W. Anderson (que também fez importantes contribuições para a física de partículas e supercondutividade) previu o que hoje é chamado de localização de Anderson. Por essa descoberta, ele recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1977. Anderson mostrou teoricamente sob quais condições um elétron em um sistema desordenado pode se mover livremente através do sistema como um todo, ou ser preso a uma posição específica como um "elétron localizado". Este sistema desordenado pode ser, por exemplo, um semicondutor com impurezas.

Ou seja, a teoria da localização de Anderson descreve como qualquer tipo de onda - seja ela composta de luz, som ou matéria - pode ficar "localizada", ou presa, travada, em um determinado local, por causa da desordem do meio de propagação.

Mais tarde, a mesma abordagem teórica foi aplicada a uma variedade de sistemas desordenados, e deduziu-se que também a luz poderia experimentar a localização de Anderson. Experiências anteriores demonstraram a localização de Anderson em fibras ópticas, realizando o confinamento ou localização da luz -- luz clássica ou convencional -- em duas dimensões enquanto a propagava através da terceira dimensão.

Embora esses experimentos tenham mostrado resultados bem-sucedidos com luz clássica, até agora ninguém havia testado esses sistemas com luz quântica - luz que consiste em estados quânticos correlacionados. Isto é, até recentemente.

Em um estudo publicado na Communications Physics, os pesquisadores Alexander Demuth, Robing Camphausen, Alvaro Cuevas, liderados pelo Prof. Valerio Pruneri, conseguiram demonstrar com sucesso o transporte de estados quânticos de luz de dois fótons através de uma fibra óptica de localização de Anderson separada por fase.

Ao contrário das fibras ópticas monomodo convencionais, onde os dados são transmitidos através de um único núcleo, uma (PSF) sigla em inglês para fibra separada por fase ou fibra de localização de Anderson separada por fase é feita de muitos fios de vidro embutidos em uma matriz de vidro de dois índices de refração diferentes.

Durante sua fabricação, à medida que o vidro de borosilicato é aquecido e fundido, ele é transformado em uma fibra, onde uma das duas fases de diferentes índices de refração tende a formar fios de vidro alongados. Como existem dois índices de refração dentro do material, isso gera o que é conhecido como desordem lateral, que leva à localização de Anderson transversa (2D) da luz no material.

Especialista em fabricação de fibra óptica, a Corning criou uma fibra óptica que pode propagar vários feixes ópticos em uma única fibra óptica aproveitando a localização de Anderson. Ao contrário dos feixes de fibra multicore, este PSF mostrou-se muito adequado para tais experimentos, uma vez que muitos feixes ópticos paralelos podem se propagar através da fibra com espaçamento mínimo entre eles.

A equipe de cientistas, especialistas em comunicações quânticas, queria transportar informações quânticas da maneira mais eficiente possível por meio da fibra óptica de separação de fases da Corning. Em experimento, o PSF conecta um transmissor e um receptor. O transmissor é uma fonte de luz quântica.

A fonte gera pares de fótons correlacionados quânticos via conversão descendente paramétrica espontânea ou (SPDC) em um cristal não linear, onde um fóton de alta energia é convertido em pares de fótons, cada um com menor energia. Os pares de fótons de baixa energia têm um comprimento de onda de 810 nm.

Devido à conservação do momento, surge a anticorrelação espacial. O receptor é uma câmera de arranjo de diodo de avalanche de fóton único sigla (SPAD). A câmera de matriz SPAD, ao contrário das câmeras CMOS comuns, é tão sensível que pode detectar fótons individuais com ruído extremamente baixo; ele também tem resolução de tempo muito alta, de modo que o tempo de chegada dos fótons individuais é conhecido com alta precisão.