O Instituto de Pesquisa de Padrões e Ciência da Coreia (KRISS) desenvolveu uma nova tecnologia de sensor quântico que permite a medição de perturbações na região infravermelha com luz visível, aproveitando o fenômeno do emaranhamento quântico. Isso permitirá medição óptica IR de baixo custo e alto desempenho, que anteriormente acompanhava limitações na entrega de resultados de qualidade.

O trabalho está publicado na revista Quantum Science and Technology.

Quando um par de fótons, a menor unidade de partículas de luz, está ligado por emaranhamento quântico , eles compartilham um estado quântico associado independentemente de sua respectiva distância. O sensor quântico de fótons não detectados recentemente desenvolvido é um sensor remoto que utiliza duas fontes de luz que recriam esse emaranhamento quântico.

Um fóton não detectado (idler) refere-se a um fóton que viaja até o alvo de medição e retorna. Em vez de medir diretamente esse fóton, o sensor de fótons não detectados mede o outro fóton do par que está ligado por emaranhamento quântico para obter informações sobre o alvo.

A detecção quântica baseada em fótons não detectados é uma tecnologia nascente que só foi implementada na última década. Com a tecnologia ainda numa fase inicial, a comunidade de investigação global continua a envolver-se activamente na corrida ao desenvolvimento. O sensor quântico de fótons não detectados desenvolvido pela KRISS se diferencia de estudos anteriores em seus principais dispositivos fotométricos, o fotodetector e o interferômetro.

Um fotodetector é um dispositivo que converte luz em uma saída de sinal elétrico. Os fotodetectores de alto desempenho existentes eram amplamente limitados em suas aplicações às larguras de banda da luz visível. Embora os comprimentos de onda na região do infravermelho sejam úteis para medições em diversas aplicações em muitos campos, não havia detectores disponíveis ou apenas detectores com baixo desempenho.

Esta última pesquisa KRISS permitiu o uso de detectores de luz visível para medir os estados de luz na banda infravermelha, permitindo uma medição eficiente sem a necessidade de equipamentos caros e que consomem energia. Ele pode ser usado em uma ampla gama de aplicações, incluindo medição não destrutiva de estruturas tridimensionais, biometria e análise de composições de gases.

Outro elemento crítico na medição óptica de precisão é o interferômetro, um dispositivo que obtém sinais integrando múltiplos raios de luz que viajam por caminhos separados. Os sensores quânticos de fótons não detectados convencionais usam principalmente interferômetros Michelson simples que adotam caminhos de luz simples, restringindo o número de alvos que podem ser medidos.

O sensor desenvolvido pela KRISS implementa um interferômetro híbrido que pode alterar com flexibilidade os caminhos da luz dependendo do objeto alvo, melhorando muito a escalabilidade. Assim, o sensor é adequado para adaptação a diversos requisitos ambientais, pois pode ser modificado com base no tamanho ou formato do objeto medido.

O Grupo de Óptica Quântica da KRISS apresentou uma análise teórica dos fatores que determinam as principais métricas de desempenho dos sensores quânticos e demonstrou empiricamente sua eficácia usando um interferômetro híbrido.

A equipe de pesquisa refletiu a luz na faixa infravermelha em uma amostra tridimensional a ser medida e mediu os fótons emaranhados na largura de banda visível para obter a imagem da amostra, incluindo sua profundidade e largura. A equipe reconstruiu com sucesso uma imagem infravermelha tridimensional a partir de medições feitas na faixa visível.

Park Hee Su, chefe do Grupo de Óptica Quântica da KRISS, disse: “Este é um exemplo inovador que superou os limites da detecção óptica convencional, aproveitando os princípios da óptica quântica”. Ele acrescentou que o KRISS “continuará com pesquisas de acompanhamento para a aplicação prática da tecnologia, reduzindo o tempo de medição e aumentando a resolução do sensor”.