Ferramenta de medição revolucionária explora propriedades quânticas da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/05/2025

Esta é a coisa real, o interferômetro quântico de dois fótons entrelaçados criado pela equipe.
[Imagem: Liam Ramsey]

Medições com luz

Físicos criaram uma nova ferramenta para usar a luz como instrumento de medição que promete leituras mais rápidas e mais precisas do que todas as técnicas clássicas e quânticas atualmente disponíveis conseguem alcançar.

A nova ferramenta revolucionária foi projetada para fazer medições de precisão em escala nanométrica, lidando de modo aprimorado com o ruído de fundo e com a perda óptica geralmente produzida pela própria amostra que está sendo analisada.

É uma tecnologia de interferometria óptica, uma técnica que usa a interferência entre ondas de luz para fazer medições, mas que vai além, tirando proveito das propriedades quânticas da luz - especificamente, do entrelaçamento extremo de cores.

"Aproveitando a interferência quântica e o entrelaçamento quântico, podemos fazer medições que, de outra forma, seriam difíceis com os métodos existentes," disse Colin Lualdi, da Universidade de Illinois, nos EUA.

Além da largamente utilizada caracterização de materiais, a ferramenta terá aplicações imediatas em diagnósticos médicos, análise biológica e até mesmo no monitoramento remoto de sistemas.

"Estamos tentando entender como podemos adaptar ainda mais essa tecnologia para que ela seja útil em outras medições, observando filmes finos de amostras biológicas, por exemplo, em microscopia, e sermos capazes de combinar isso com outras modalidades de detecção, como a microscopia de força atômica," disse o professor Paul Kwiat.

Interferência de onda construtiva (esquerda) e interferência destrutiva (direita). A interferência construtiva produz uma onda resultante com maior amplitude. Na interferência destrutiva, as ondas se cancelam.
[Imagem: Martin Pätzold]

Interferometria óptica clássica

A interferometria óptica é o padrão ouro atual em medições de precisão, utilizando as propriedades de interferência da luz descritas pela física clássica para medir distâncias minúsculas. Quando duas ondas de luz se encontram e seus picos e vales estão alinhados, elas podem se somar, interferindo construtivamente para produzir uma onda resultante de maior amplitude. Se, por outro lado, os picos de uma onda estiverem alinhados com os vales da outra onda, elas se anulam, interferindo destrutivamente para produzir uma onda resultante de menor amplitude.

Na prática, usa-se um laser para emitir um feixe de luz através de um divisor, que separa o feixe em dois. Uma onda de luz viaja por um braço vertical e a outra por um braço horizontal, atingindo um espelho na extremidade de cada braço, que as reflete de volta, sendo então feita a medição de interferência (construtiva ou destrutiva).

Funciona bem, afinal, é assim que um aparelho médico mede a espessura da retina, em busca de doenças oculares, ou que detectamos as ondas gravitacionais. Mas também há problemas: É difícil analisar amostras finas que transmitem mal a luz, e a luz de fundo também pode vazar, enfraquecendo os sinais de interferência e diminuindo a sensibilidade da medição, da mesma forma que a luz saturada de uma foto superexposta dificulta a distinção de detalhes.

Interferometria óptica quântica

A interferometria vira quântica quando substituímos os dois feixes de luz por dois fótons, já que as partículas da luz mantêm algumas qualidades semelhantes às ondas, incluindo a interferência. Isso elimina as deficiência da óptica clássica e adiciona novos recursos.

A natureza quântica dessa medição supera o problema de medir materiais de baixa transmissão, uma vez que a intensidade da assinatura de interferência permanece inalterada porque a perda afeta ambos os fótons igualmente. A luz de fundo também atrapalha menos, já que quase toda a luz de fundo pode ser filtrada porque não chega dentro da estreita janela de tempo em que os dois fótons chegam.

Ainda assim, nem tudo é perfeito, Para alcançar uma sensibilidade nanométrica com a interferometria quântica de dois fótons a medição precisa ser executada por horas, ou então empregando fótons com ampla largura de banda de cores - luz branca -, o que é muito difícil de se fazer na prática.

Esquema de funcionamento do novo interferômetro.
[Imagem: Colin P. Lualdi et al. - 10.1126/sciadv.adw4938]

Interferometria com entrelaçamento quântico

A equipe resolveu este problema gerando o entrelaçamento quântico entre os dois fótons - quando entrelaçados quanticamente, tudo o que acontecer a um dos fótons afetará imediatamente o outro, sem que eles precisem se reunir fisicamente. Ao entrelaçar uma propriedade dos fótons, neste caso a cor, é possível usar os tradicionais fótons de banda estreita (de cor pura), aumentando muito a sensibilidade do interferômetro sem as dificuldades de ordem prática.

Quanto maior a diferença nas cores dos fótons entrelaçados, maior a sensibilidade do interferômetro. Por exemplo, o entrelaçamento entre fótons de dois tons de vermelho, com uma diferença de comprimento de onda de meras dezenas de nanômetros, produz um sinal de interferência menos sensível do que entre um fóton vermelho e um fóton azul - este último é um exemplo de entrelaçamento de cores extremo.

"Com o entrelaçamento, precisamos trabalhar apenas com um pouco de azul e um pouco de vermelho, em vez de toda a gama de cores entre eles," explicou Lualdi - as cores de fato utilizadas são invisíveis ao olho humano, com comprimentos de onda de 810 e 1550 nanômetros.

Com o aparelho pronto e funcionando, a equipe agora está se concentrando nas aplicações práticas. "Comparado a outros interferômetros quânticos, nosso sistema mede mais rápido e com maior precisão, e agora temos a oportunidade de estudar sinais que variam no tempo, como vibrações em escala nanométrica, por exemplo," disse Lualdi - neste caso, as vibrações referem-se a como os átomos individuais interagem uns com os outros, o que é essencial para o projeto de novos materiais.

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