Artigo | Continuous variable entanglement in a cold-atom mirrorless optical parametric oscillator
Dos autores G. C. Borba, S. N. Moreira, L. S. Cruz, M. Martinelli, D. Felinto e J. W. R. Tabosa.
Publicado em Physical Review Research, em 09/01/26.
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Geração de emaranhamento multipartite em variáveis contínuas impulsiona pesquisas brasileiras em ótica quântica
Colaboração histórica entre USP, UFPE e UFABC avança fronteiras do emaranhamento quântico com átomos frios
O presente resultado vem de uma parceria de mais de 25 anos entre os pesquisadores envolvidos, da USP, da UFPE e da UFABC, que já rendeu seis publicações conjuntas.
Neste trabalho, os graus de liberdade internos e externos de uma amostra de átomos frios de césio são explorados para observar emaranhamento quadripartite entre modos óticos produzidos por um oscilador paramétrico ótico sem espelhos excitado no meio. Esta observação abre um novo caminho para a geração de emaranhamento multipartite em variáveis contínuas utilizando átomos frios.
Diferente da maioria dos experimentos de mistura de quatro ondas que envolvem apenas dois feixes gerados a partir de um único campo de bombeio, o processo envolvendo este MOPO é intrinsecamente multipartite.
No presente caso, demonstramos o acoplamento entre quatro direções de propagação da luz. A sutileza foi combinar o chaveamento da armadilha magneto-ótica em ciclos rápidos, da ordem de milissegundo, repetidos a uma taxa de 40 vezes por segundo usado na armadilha da UFPE, com as técnicas de medida desenvolvidas na USP. A repetição do experimento permite obter a estatística necessária para uma medida confiável do estado do campo. Neste caso, a medida de um pulso de luz inferior a 1 milissegundo em uma largura espectral inferior a 10 kHz era um desafio técnico que foi superado com a experiência em detecção combinando técnicas óticas e eletrônicas.
A demonstração da criação deste emaranhamento quadripartite é o primeiro passo no uso deste sistema, que acopla a luz aos estados vibracionais atômicos em uma estrutura ótica [1]. No presente caso, dois fótons do bombeio são convertidos em pares de fótons. Como o processo de geração destes pares ocorre em dois dos quatro caminhos de saída possíveis, os quatro campos apresentam correlações quânticas entre si, resultando em uma rede de luz emaranhada.
Note que efeitos de ordem superior no meio atômico podem criar emaranhamentos de ordem mais alta, usando mistura de seis ou oito campos, explorando a geometria do sistema, variando o direcionamento dos campos incidentes para favorecer outros processos envolvendo mais fótons em mais caminhos.
Tais estados multiplamente emaranhados são um componente chave para explorar a possibilidade de manipulação quântica de informação, visando desenvolver processadores baseados nos fundamentos da mecânica quântica que podem resolver problemas matemáticos intratáveis pelos computadores clássicos atuais. Além disso, as técnicas de manipulação atômica e medida de campos pode ser útil no sensoriamento, que pode ser aplicado a medidas ultra-sensíveis.
Imagem da armadilha magneto-ótica de Césio no DF/UFPE
A armadilha, com os átomos aprisionados, formando a nuvem brilhante no centro
Vista panorâmica do experimento
Foto da equipe: Da esquerda para a direita: Luciano Cruz, Daniel Felinto, José Tabosa, Marcelo Martinelli, Raoni Moreira, Gabriel Borba. Arquivo pessoal.
[1] G. C. Borba, R. S. N. Moreira, L. S. Cruz, M. Martinelli, D. Felinto, and J. W. R. Tabosa, Continuous variable entanglement in a cold-atom mirrorless optical parametric oscillator. Phys. Rev. Research 8, L012006 (2026).
