Conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC) e mistura espontânea de quatro ondas são processos ópticos não lineares poderosos que podem produzir feixes de luz multifótons com propriedades quânticas únicas. Esses processos podem ser alavancados para criar várias tecnologias quânticas, incluindo processadores de computador e sensores que alavancam efeitos mecânicos quânticos.

Pesquisadores do National Research Council of Canada e da École Polytechnique de Montréal recentemente realizaram um estudo observando os efeitos emergentes no processo SPDC. O artigo deles, publicado na Physical Review Letters , relata a observação de um atraso de grupo induzido por ganho em pulsos multifótons gerados no SPDC.

"A inspiração para este artigo veio do estudo de um processo chamado SPDC", disse Nicolás Quesada, autor sênior do artigo, ao Phys.org. "É um bocado dizer que certos materiais são capazes de pegar um fóton violeta (do qual a luz da partícula é feita) e transformá-lo em dois fótons vermelhos.

"Este é um fenômeno super versátil que permite aos físicos gerar luz com correlações interessantes, já que os dois fótons vermelhos 'filhos' nascem ao mesmo tempo e precisam ter exatamente a mesma energia e momento do fóton violeta 'mãe'."

Nas últimas décadas, o SPDC tem sido o foco de vários estudos de física. Até agora, esse processo tem sido estudado principalmente em um regime particular, onde pesquisadores converteram um fóton violeta em dois fótons vermelhos aproximadamente uma vez em 100 vezes durante cada execução experimental.

"Durante meu doutorado, estudei o que acontece quando a probabilidade de produzir dois fótons filhos começa a se aproximar da unidade e, depois desse ponto, quando você produz mais de um par de fótons para cada execução do experimento", disse Quesada.

"Descobrimos que a cor na qual os fótons filhos nascem começa a mudar ligeiramente e, além disso, que a eficiência do processo (quantos fótons 'vermelhos' nascem por fóton 'violeta') também muda."

Quando Quesada começou a explorar a possibilidade de criar dois ou mais fótons-filhos para cada execução experimental, ele ainda não havia identificado maneiras de medir isso experimentalmente. Este ano, no entanto, seu colega Guillaume Thekkadath notou que pequenas mudanças na cor também poderiam ser refletidas em diferentes tempos de chegada para os fótons-filhos, à medida que se passa de apenas fazer um par para fazer muitos pares.

"Observamos que o aumento do número de fótons gerados pelo processo SPDC causou uma mudança no tempo de chegada dos dois fótons filhos", explicou Thekkadath.

"Para investigar esse efeito, fizemos duas modificações importantes na configuração experimental convencional do SPDC. Primeiro, usamos um laser de alta potência capaz de fornecer pulsos ultracurtos (femtossegundos), comprimindo sua energia em rajadas extremamente curtas. Esses pulsos foram amplificados ainda mais para atingir as altas intensidades necessárias para gerar múltiplos pares de fótons filhos no cristal SPDC. Segundo, implementamos uma técnica chamada 'interferometria espectral' para medir os tempos de chegada dos fótons com alta precisão."

Thekkadath, Quesada e seus colegas passaram fótons gerados por seu laser de alta potência por uma fibra óptica de vários quilômetros de comprimento, que esticou temporalmente o pulso de fótons. Posteriormente, eles usaram detectores de nanofios supercondutores, dispositivos altamente sensíveis que podem detectar fótons únicos com resoluções de tempo excepcionais, para registrar os tempos de chegada dos fótons.

Os resultados que eles coletaram confirmaram a presença de um atraso de grupo induzido por ganho entre os pulsos multifótons gerados em sua fonte SPDC. Essa observação pode ter implicações importantes para o desenvolvimento futuro de dispositivos que alavancam a interferência quântica.

"Nossos resultados sugerem que é preciso ter muito cuidado ao interferir na luz proveniente de fontes SPDC que produzem pares de fótons com brilhos diferentes (que produzem números diferentes de pares, em média)", disse Quesada.

"Se alguém não for cuidadoso e tiver fótons de duas fontes diferentes chegando a um interferômetro em momentos diferentes, eles não serão capazes de realizar um feito mecânico quântico conhecido como interferência Hong-Ou-Mandel. Essa interferência é a que permite que computadores quânticos feitos de luz superem as capacidades dos computadores clássicos."

Um dos coautores deste artigo recente, chamado Martin Houde, tem tentado recentemente projetar melhores fontes SPDC nas quais os fótons saem simultaneamente, independentemente do brilho dos pulsos de laser emitidos. Quesada e seus colegas da École Polytechnique de Montréal também têm tentado determinar como os diferentes tempos de chegada dos fótons, que podem ser uma fonte de erro, afetam o funcionamento dos computadores quânticos fotônicos.

"Nossa fonte SPDC era relativamente 'brilhante', gerando centenas de pares de fótons filhos em comparação à maioria das fontes, que normalmente produzem apenas um único par", acrescentou Thekkadath.

"No entanto, muitos desses fótons foram perdidos antes de atingir o detector óptico. Essas perdas ocorrem por vários motivos, como reflexões de elementos ópticos como lentes ou captura incompleta pelas fibras ópticas. Perder um fóton de um par é problemático, pois interrompe as correlações quânticas essenciais para tecnologias como sensores aprimorados quânticos."

Como parte de seus próximos estudos, Thekkadath e seus colegas do National Research Council of Canada estão tentando elaborar estratégias para minimizar perdas ópticas em dispositivos quânticos. Além disso, eles estão tentando determinar como as fontes de pares de fótons que eles têm examinado podem ser alavancadas para detecção e computação quântica, independentemente de quaisquer perdas de fótons associadas.