Incertitudinea cuantică a fost captată în timp real folosind impulsuri de lumină ultrascurte

Incertitudinea cuantică a fost captată în timp real. Cercetătorii de la Universitatea din Arizona (SUA), alături de o echipă internațională, au reușit să captureze și să controleze incertitudinea cuantică în timp real, folosind impulsuri ultrarapide de lumină.

Descoperirea lor, publicată în revista Light: Science & Applications, ar putea deschide calea către comunicații mai sigure și dezvoltarea opticii cuantice ultrarapide.

Incertitudinea cuantică a fost captată în timp real. În centrul acestei realizări se află așa-numita „lumină comprimată” (squeezed light), explică Mohammed Hassan, autorul principal al studiului și profesor asociat de fizică și științe optice.

Incertitudinea cuantică a fost captată în timp real folosind impulsuri de lumină

În fizica cuantică, lumina este descrisă prin două proprietăți interconectate, care îi corespund aproximativ poziției și intensității unui foton, dar care nu pot fi cunoscute simultan cu precizie absolută, un principiu cunoscut drept „incertitudine”. Produsul acestor două mărimi nu poate coborî sub o anumită limită.

„Lumina obișnuită este ca un balon rotund, unde incertitudinea este distribuită uniform între proprietăți. Lumina comprimată, sau lumina cuantică, este alungită într-o formă ovală: una dintre proprietăți devine mai precisă, în timp ce cealaltă devine mai zgomotoasă”, spune Hassan, citat de Phys.org.

Această „comprimare” are aplicații practice: detectoarele de unde gravitaționale o folosesc deja pentru a reduce zgomotul de fond și pentru a detecta vibrațiile extrem de fine ale spațiu-timpului provocate de corpuri cerești îndepărtate.

La ce este folosită lumina comprimată?

Până acum, aplicațiile luminii comprimate foloseau impulsuri laser care durau milisecunde. Hassan a vrut să afle dacă este posibil să se genereze lumină comprimată cu impulsuri ultrarapide, măsurate în femtosecunde, adică o cvadrilionime de secundă.

„Crearea luminii cuantice folosind impulsuri ultrarapide ar fi un pas revoluționar, prima implementare reală care combină optica cuantică și știința ultrarapidă. Principala provocare tehnică era potrivirea fazelor între lasere de culori diferite, ceea ce de obicei cere configurații complexe. Am realizat că tehnologia noastră poate depăși această problemă”, spune el.

Echipa a dezvoltat o metodă nouă pentru a produce explozii extrem de scurte de lumină, folosind un proces existent numit mixare cu patru unde (four-wave mixing), în care surse diferite de lumină interacționează și se combină. Bazându-se pe cercetările anterioare ale lui Hassan, echipa a împărțit un laser în trei fascicule identice, pe care le-a concentrat într-o bucată de silice, obținând astfel lumină comprimată ultrarapidă.

Metodele anterioare vizau reducerea incertitudinii fazei unui foton (adică poziția lui în cadrul unei unde), dar echipa lui Hassan a reușit să comprime intensitatea fotonului, controlând totodată tranziția dintre comprimarea de intensitate și cea de fază prin modificarea poziției silicei în raport cu fasciculele laser.

Incertitudinea cuantică a fost captată în timp real. Ce înseamnă acest lucru pentru viitor?

Dacă silicea este perpendiculară, toți fotonii ajung simultan. O mică schimbare a unghiului face ca un foton să ajungă mai târziu, acea diferență minusculă este cea care controlează nivelul de „comprimare”.

„Aceasta este prima demonstrație a luminii comprimate ultrarapide și prima măsurare și controlare în timp real a incertitudinii cuantice. Prin combinarea laserelor ultrarapide cu optica cuantică, deschidem un domeniu complet nou: optica cuantică ultrarapidă”, afirmă Hassan.

Echipa a aplicat deja această tehnică în domeniul comunicațiilor sigure. În timp ce lumina ultrarapidă și cea comprimată au fost anterior folosite separat pentru transmiterea datelor binare, combinarea lor sporește atât viteza, cât și securitatea transmisiilor.

„Dacă cineva interceptează datele transmise prin lumină cuantică, rețeaua detectează imediat intruziunea, dar atacatorul ar putea totuși să obțină o parte din informație, dacă are cheia de decodare. Prin metoda noastră, un interceptator nu doar că perturbă starea cuantică, ci trebuie să cunoască atât cheia, cât și amplitudinea exactă a impulsului. Interferența îi afectează comprimarea intensității, așa că nu poate determina incertitudinea corectă, iar datele obținute sunt inexacte”, explică Hassan.

Dincolo de comunicațiile cuantice, Hassan speră ca lumina cuantică ultrarapidă să aducă progrese în detecția de mare precizie, chimie și biologie, deschizând drumul către diagnosticări mai precise, metode inovatoare de descoperire a medicamentelor și senzori ultrasensibili pentru monitorizarea mediului.

Vă recomandăm să citiți și:

Cercetătorii lucrează la un „praf inteligent” capabil de spionaj

„Soluția simplă” care ar putea distruge ChatGPT, dezvăluită chiar de OpenAI

Experimentul FASER sau vânătoarea de particule fantomă

O teorie îndelung contestată a lui Stephen Hawking a fost, în sfârșit, confirmată