Revolução da luz: Metassuperfície produzirá de qubits até energia mecânica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/07/2021

Representação conceitual da metassuperfície quântica espaço-temporal.
[Imagem: Wilton J. M. Kort-Kamp et al. - 10.1103/PhysRevLett.127.043603]

Metassuperfície quântica

Ao contrário do que normalmente acontece com previsões teóricas feitas na física, que podem levar décadas para se materializar em experimentos, o campo dos metamateriais tem visto os cálculos matemáticos virarem protótipos em questão de meses.

A matemática da óptica transformacional logo se materializou em mantos de invisibilidade, lasers de calor, microscópios com super-resolução, materiais antichoque e até os quase ficcionais cristais do tempo - e isto apenas para citar as inovações recentíssimas nesse campo.

É por isso que a comunidade da física e os engenheiros da computação quântica entraram em polvorosa com um artigo publicado por um trio de pesquisadores do Laboratório Nacional Los Alamos, nos EUA.

Wilton Kamp e seus colegas mostraram como fabricar uma metassuperfície - uma superfície cheia de microantenas capazes de manipular a luz - capaz de controlar todas as propriedades dos qubits fotônicos, os bits quânticos de luz, que são os mais futurísticos mas, ao menos até agora, os mais difíceis de domar.

A estimativa é que essa nova superfície artificial poderá impactar os campos da informação quântica, comunicações, sensoriamento e imageamento e mesmo da coleta de energia.

Quem realmente manipula a luz são nanoantenas em formato de cruz.
[Imagem: Wilton J. M. Kort-Kamp et al. - 10.1103/PhysRevLett.127.043603]

Qubits de luz

A ideia principal por trás deste novo projeto é dotar a metassuperfície de propriedades moduladas no espaço e no tempo, o que permitirá manipular todos os graus de liberdade de cada fóton individual.

As nanoantenas que formam a metassuperfície, dispostas em um padrão de cruzes rotacionadas umas em relação às outras, foram projetadas para manipular pulsos de laser ou pulsos elétricos. Quando um único fóton atinge a metassuperfície, ele se divide em uma superposição de muitas cores, caminhos e estados de spin, ou seja, todos no chamado entrelaçamento quântico - o que significa que um único fóton é capaz de herdar todas essas diferentes propriedades ao mesmo tempo.

"Quando a metassuperfície é modulada com pulsos de laser ou elétricos, pode-se controlar a frequência do único fóton refratado, alterar seu ângulo de trajetória, a direção do seu campo elétrico, bem como seu spin," explicou o pesquisador Abul Azad.

Ao manipular essas propriedades, torna-se possível codificar informações em fótons que viajam dentro de uma rede, seja a rede que interliga bancos, computadores quânticos ou aquelas entre a Terra e os satélites de comunicações. Codificar fótons é particularmente desejável no campo da criptografia quântica, porque é impossível bisbilhotar um fóton sem alterar sua física fundamental, o que, se feito, alertaria o emissor e o receptor de que a informação foi comprometida.

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Esta é a proposta para usar a metassuperfície para capturar os fótons virtuais que emergem do vácuo quântico e então arremessá-lo com o objetivo que se pretender.
[Imagem: Wilton J. M. Kort-Kamp et al. - 10.1103/PhysRevLett.127.043603]

Gerar energia a partir do vácuo quântico

Se já não fosse o bastante, a equipe agora pretende aprimorar sua metassuperfície para que ela seja capaz de extrair fótons do vácuo quântico.

"O vácuo quântico não é vazio, mas cheio de fótons virtuais fugazes. Com a metassuperfície quântica modulada, é possível extrair e converter de maneira eficiente fótons virtuais em pares de fótons reais," disse Wilton Kamp, membro da equipe.

De fato, pode-se dizer que a matéria é resultado das flutuações do vácuo quântico, algo que já foi demonstrado gerando luz a partir do vácuo e até mesmo criando matéria e antimatéria a partir desse "nada" quântico". Além disso, já se sabe que essas partículas fugazes podem ser usadas para criar qubits para computadores quânticos.

E mais do que isso: Capturar os fótons que existem no vácuo e dispará-los em uma direção deve criar propulsão na direção oposta. Da mesma forma, agitar o vácuo quântico deve criar movimento rotacional a partir de fótons torcidos. Assim, essa "luz quântica estruturada" poderia, no futuro, ser usada para gerar impulso mecânico, usando apenas pequenas quantidades de energia para impulsionar a metassuperfície, propõe a equipe.

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