Fótons gêmeos mantêm correlação mesmo após viagem de 7 km sobre a Baía de Guanabara

Montagem experimental na UFF, em Niterói, de onde os fótons são enviados  em direção
ao CBPF, no Rio de Janeiro. O sistema óptico inclui a  fonte de luz e o telescópio
 utilizado para projetar o feixe através dos  7 quilômetros de atmosfera sobre a Baía de Guanabara
(foto: André Luiz da Silva Santos Junior)

Experimento realizado entre Niterói e o Rio de Janeiro abre caminho para comprovar a preservação do emaranhamento quântico ao ar livre e estruturar futuras redes de comunicação ultrasseguras

 

Pesquisadores da Universidade Federal Fluminense (UFF) deram um passo importante rumo à comunicação quântica e à criação de uma internet ultrassegura no futuro. Eles conseguiram gerar pares de "fótons gêmeos" (partículas de luz) e provaram que eles mantêm uma forte correlação entre si mesmo após um deles viajar cerca de 7 quilômetros pelo ar, atravessando a Baía de Guanabara, no Rio de Janeiro. Enquanto um fóton ficou no laboratório em Niterói, no campus da UFF, seu “irmão” cruzou a baía até a Urca.

“A comparação entre as duas detecções mostrou um número de correlações temporais muito superior ao que poderia ocorrer por acaso”, conta o físico Antonio Zelaquett Khoury, professor do Instituto de Física (IF) da UFF e coordenador do projeto “Rede Rio Quântica”, financiado pela FAPESP.

O experimento sugere, fortemente, que os fótons possam ter sido emaranhados quanticamente e preservado sua condição de emaranhamento mesmo depois de um membro de cada par enfrentar a turbulência atmosférica. Se essa hipótese for confirmada, terá sido dado um importante passo rumo à implantação de um canal de comunicação quântica em espaço livre.

Vale lembrar que, quando duas partículas estão emaranhadas, determinadas propriedades de uma e da outra ficam correlacionadas de tal maneira que o par deve ser descrito como um único sistema quântico, mesmo que seus componentes sejam separados por grandes distâncias. Isso pode ser explorado na comunicação quântica para codificar informações. Por exemplo, distribuindo chaves criptográficas com um nível de segurança impossível de obter na comunicação clássica: qualquer tentativa de interceptar e medir os fótons altera as correlações quânticas e pode, em princípio, denunciar a presença de um intruso.

“A demonstração de que o emaranhamento sobrevive a quilômetros de propagação pela atmosfera poderá abrir caminho para a construção de redes quânticas em espaço livre, inclusive aquelas capazes de conectar estações terrestres a satélites”, afirma Khoury.

A fonte de fótons gêmeos foi desenvolvida pelo doutorando do IF-UFF André Luiz da Silva Santos Junior, sob orientação de Khoury. O trabalho conta com financiamento da FAPESP.

“O resultado decisivo aparece quando os registros dos dois detectores são comparados. Como um dos fótons é detectado praticamente junto à fonte e o outro precisa atravessar a baía, há um pequeno intervalo de cerca de 20 microssegundos entre as duas detecções, correspondente essencialmente ao tempo de viagem do segundo fóton. É imediatamente após esse intervalo que aparece um pico pronunciado de coincidências [provando que os dois equipamentos capturaram o par de gêmeos e não luzes aleatórias do ambiente]”, conta Santos Junior.

O experimento registrou 7 mil coincidências acumuladas em um intervalo de cinco segundos – um resultado extremamente significativo, considerando-se que a transmissão foi feita na direção horizontal. As perdas de informação em uma transmissão vertical são muito menores, porque, quanto mais distante da superfície, mais rarefeita se torna a atmosfera (ou seja, há menos moléculas de gás, poeira e vapor d'água atuando como “obstáculos” para refletir, desviar ou absorver a luz). Na transmissão horizontal, porém, os fótons precisaram atravessar uma extensa camada de ar, com turbulências e outras fontes de perda.

Pico de coincidências entre as detecções realizadas na UFF, em Niterói, e no CBPF, no Rio de Janeiro. O forte aumento das coincidências no intervalo de tempo esperado permite identificar fótons pertencentes aos mesmos pares, apesar dos 7 quilômetros de separação entre os detectores (imagem: André Luiz da Silva Santos Junior)

Nascidos juntos

Fótons são as unidades elementares de radiação eletromagnética (em termos mais simples: são as “partículas” fundamentais que compõem a luz visível e outros tipos de radiação). Recebem o nome de “gêmeos” caso sejam produzidos aos pares, simultaneamente, no mesmo processo físico. No experimento da UFF, a geração ocorre quando um laser de comprimento de onda de 405 nanômetros, na faixa azul-violeta do espectro, incide sobre um cristal óptico não linear.

A não linearidade do cristal é um dado fundamental do experimento e isso pede uma explicação mais detalhada. Em materiais comuns, no regime da chamada “óptica linear”, a polarização elétrica induzida no objeto – isto é, o deslocamento das cargas elétricas provocado pela luz – varia proporcionalmente ao campo elétrico da própria luz. Nessas condições, a luz pode mudar de direção, velocidade ou polarização ao atravessar o material, mas não são geradas, em princípio, novas frequências (ou seja, se a luz entra azul, ela sai azul, com o mesmo comprimento de onda). Em certos materiais, porém, essa resposta contém também componentes que dependem de maneira matematicamente mais complexa do campo elétrico incidente. Quando esses componentes se tornam relevantes, entra-se no domínio da “óptica não linear”. Uma de suas consequências é justamente a possibilidade de converter luz de uma frequência em luz de outras frequências.

É essa propriedade que permite gerar os fótons gêmeos. No processo utilizado no experimento – chamado de “conversão paramétrica descendente espontânea” (spontaneous parametric down-conversion, SPDC) –, um fóton do laser, denominado “fóton de bombeamento”, é convertido no cristal em dois fótons de menor energia, convencionalmente chamados de “sinal” e “complementar”. A conservação da energia exige que a soma das energias dos dois fótons produzidos seja igual à energia do fóton original (como se eles dividissem entre si a energia do fóton que os gerou). Ao mesmo tempo, as condições em que a conversão ocorre – em particular as denominadas “condições de casamento de fase” – estabelecem relações entre suas frequências, direções de propagação e polarizações. Por isso, os dois fótons podem nascer com propriedades fortemente correlacionadas. Dependendo da configuração experimental, o estado quântico produzido pode ser também emaranhado, de modo que certas propriedades dos dois fótons já não possam ser descritas independentemente (como se eles compartilhassem uma única identidade quântica, mesmo se afastando um do outro).

“O cristal utilizado foi escolhido justamente para aumentar a produção desses pares. A geração é um processo cumulativo: quanto maior o percurso da luz no material, maior a probabilidade de ocorrer a conversão. E mais brilhante torna-se a fonte, no sentido de que mais pares ela gera. A arquitetura com um cristal longo foi escolhida pelo André [Santos Junior] justamente para maximizar a geração de pares”, informa Khoury.

Tudo isso foi cuidadosamente planejado. Porque o diferencial do experimento era sair para o ar livre, fora das condições protegidas do laboratório. “Para vencer a perda que inevitavelmente teríamos, precisávamos gerar muitos pares. Assim, pesquisamos diferentes configurações até chegar à arquitetura utilizada na fonte”, pontua Santos Junior.

 

Emaranhamento: sim ou não?

Há, porém, uma distinção importante. O fato de dois fótons serem gêmeos não significa automaticamente que permaneçam emaranhados. O emaranhamento é uma correlação especificamente quântica, muito mais profunda, na qual determinadas propriedades não podem ser atribuídas independentemente a cada partícula: elas pertencem ao estado formado pelo par.

A fonte construída por Santos Junior foi projetada para produzir fótons emaranhados em sua polarização. A polarização relaciona-se à orientação espacial da oscilação do campo elétrico da luz, que pode ser, por exemplo, horizontal ou vertical (imagine uma corda esticada sendo balançada para cima e para baixo, criando ondas verticais, ou de um lado para o outro, criando ondas horizontais). Como no emaranhamento os dois fótons formam um único estado quântico, o par emaranhado pode estar em uma superposição das possibilidades “horizontal e horizontal” e “vertical e vertical”, sem que se possa atribuir previamente a cada fóton uma polarização independente.

“O emaranhamento em polarização já foi demonstrado quando os dois fótons são medidos localmente, na UFF. O desafio agora é demonstrar que esse emaranhamento se mantém quando um dos fótons sobrevoa a Baía de Guanabara”, resume Khoury.

O pesquisador acrescenta que verificar a correlação, isto é, a condição gemelar dos dois fótons, era o gargalo maior. E esse gargalo foi ultrapassado, com a detecção dos sinais coincidentes. “Sem os sinais, não teríamos como testar nada. A partir do momento em que temos a comprovação de que estamos realmente observando um par de fótons gêmeos, um detectado na UFF, o outro a 7 quilômetros de distância, podemos começar a trabalhar na melhoria da qualidade do sinal e buscar a evidência do emaranhamento.”

Essa ressalva é essencial. O experimento ainda não demonstrou que os dois fótons permanecem emaranhados depois da separação por 7 quilômetros. Até agora, demonstrou a produção local de pares com alto grau de emaranhamento e, separadamente, a detecção remota das coincidências entre os gêmeos. A próxima etapa será realizar, com os detectores distantes, as medições de polarização necessárias para verificar se o emaranhamento se mantém depois de um dos fótons viajar sobre a baía.

 

Um canal através da atmosfera

Fazer um único fóton atravessar quilômetros de atmosfera e chegar ao lugar desejado não é trivial. Muito antes do experimento com os pares, o grupo estudou o comportamento do canal óptico entre Niterói e a Urca utilizando luz laser convencional. A turbulência atmosférica pode alterar fortemente a distribuição espacial do feixe, deslocá-lo e dificultar sua coleta pelo telescópio receptor. Mas os testes revelaram também uma característica favorável: a polarização da luz mostrou-se extremamente resistente à travessia.

“Nos testes realizados por nosso grupo, diferentes estados de polarização foram transmitidos através da baía e recuperados com fidelidade superior a 99%. Isso sinalizou para nós que a polarização era a melhor propriedade para codificar informação nos fótons”, sublinha Khoury. O resultado é particularmente importante porque é justamente na polarização que o grupo pretende estabelecer o emaranhamento entre os fótons separados e, posteriormente, implementar protocolos de comunicação quântica.

O fato de o emaranhamento ainda não ter sido cabalmente demonstrado pode dar a falsa impressão de que o estudo esteja em uma fase inicial. Não é assim. Muita estrada já foi percorrida pelo grupo. O próprio apontamento dos telescópios exigiu o desenvolvimento de um sistema de estabilização ativa. Pequenas variações mecânicas e térmicas fazem com que o equipamento se desalinhe lentamente, o que, a uma distância de 7 quilômetros, pode ser suficiente para fazer o feixe deixar de atingir o receptor. Uma fonte luminosa instalada na extremidade oposta serve como referência. Uma câmera acompanha sua posição e, quando detecta algum deslocamento, um programa comanda motores que corrigem automaticamente o apontamento do telescópio.

Segundo Khoury, a caracterização da polarização da luz transmitida pelo canal aéreo, assim como o sistema de estabilização ativa, foram desenvolvidos no IF-UFF pela pós-doutoranda Amanda Kronhardt Fritsch, bolsista da FAPESP, e pelo doutorando Marcos Gil de Oliveira, bolsista do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Além disso, os trabalhos contaram com as contribuições dos estudantes Altilano Cristino Barbosa, bolsista de doutorado da FAPESP, e Iury Prego Grego Correa, bolsista de iniciação científica.

Também foi necessário sincronizar com grande precisão os dois lados do experimento. Cada detector produz um sinal eletrônico quando registra a chegada de um fóton, e o instante dessa detecção precisa ser marcado com grande precisão. É dessa comparação temporal que emerge o sinal procurado. Para identificar quais registros feitos em Niterói e na Urca poderiam corresponder aos integrantes de um mesmo par, era necessário comparar essas marcações de tempo. Para tal, cada estação contava com um relógio próprio, sincronizado via GPS. Além disso, a comparação entre os instantes de detecção requereu o envio de dados de uma estação à outra.

“A taxa de transmissão das informações pela internet convencional era insuficiente para o registro adequado das coincidências em tempo real. O problema foi resolvido com a instalação de um enlace de rádio dedicado entre as duas estações pela empresa MLS Wireless, cujo CEO, doutor Rogério Passy, foi meu colega de pós-graduação na PUC-Rio [Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro] nos anos 1990 e possui longa experiência em comunicação óptica”, conta Khoury. E acrescenta: “Além da equipe trabalhando na UFF, o professor Rafael Ferreira Pinto do Rego Barros, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo [IF-USP], tem colaborado conosco em vários aspectos do enlace aéreo, com discussões e sugestões para a montagem da fonte de fótons emaranhados, do sistema de sincronismo dos detectores e do arranjo ótico do enlace”.

Existem fótons provenientes de outras fontes e coincidências que podem acontecer acidentalmente. Mas, quando a fonte de pares é ligada, aparece, no intervalo de tempo esperado, um forte excesso de coincidências. “A figura com o pico é o resultado em si. Era o sinal que estávamos buscando. Por uma feliz coincidência, obtivemos as primeiras detecções no dia 20 de agosto de 2026, exatamente no dia em que a Sociedade Brasileira de Física estava comemorando seu 60º aniversário”, celebra Khoury.

José Tadeu Arantes

Agência FAPESP
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