As leis de conservação são o cerne da nossa compreensão científica natural, pois governam quais processos são permitidos ou proibidos. Um exemplo simples é o das bolas de bilhar em colisão, onde o movimento – e, com ele, seu momento linear – é transferido de uma bola para outra. Uma regra de conservação semelhante também existe para objetos rotativos, que possuem momento angular. Curiosamente, a luz também pode ter um momento angular, por exemplo, o momento angular orbital (OAM), que está ligado à estrutura espacial da luz.

No reino quântico, isso implica que partículas individuais de luz, denominadas fótons, têm quanta bem definidos de OAM, que precisam ser conservados nas interações luz-matéria. Em um estudo recente publicado na Physical Review Letters, pesquisadores da Universidade de Tampere e seus colaboradores agora testaram essas leis de conservação até o limite quântico absoluto. Eles exploraram se a conservação dos quanta de OAM se mantém quando um único fóton é dividido em um par de fótons.

Um menos um é igual a zero

A regra de conservação dita, por exemplo, que quando um fóton com OAM zero é dividido em dois fótons, os quanta de OAM de ambos os fótons devem somar zero. Assim, se um dos novos fótons gerados for encontrado com um quanta de OAM, seu fóton parceiro deve ter o oposto, ou seja, quanta de OAM negativo. Em outras palavras, a fórmula simples 1 + (-1) = 0 precisa ser válida. Embora essas regras de conservação tenham sido testadas e utilizadas em uma infinidade de experimentos ópticos com lasers, elas nunca foram testadas para um único fóton.

“Nossos experimentos mostram que o OAM é de fato conservado mesmo quando o processo é conduzido por um único fóton. Isso confirma uma lei de conservação fundamental no nível mais básico, que se baseia, em última instância, na simetria do processo,” explica a Dra. Lea Kopf, que é a autora principal do estudo.

Encontrando a agulha fotônica no feno do laboratório

Os experimentos da equipe dependem de medições delicadas, já que os processos ópticos não lineares necessários são muito ineficientes. Apenas a cada bilionésimo fóton é convertido em um par de fótons, de modo que medir a conservação do OAM para fótons individuais se assemelha a procurar a agulha no palheiro.

Um arranjo óptico extremamente estável, baixo ruído de fundo, um esquema de detecção com a máxima eficiência possível e muita resistência experimental permitiram que os pesquisadores registrassem conversões bem-sucedidas suficientes para confirmar a lei de conservação fundamental.

Além de confirmar a conservação do OAM, a equipe observou as primeiras indicações de entrelaçamento quântico nos pares de fótons gerados, o que sugere que a técnica pode ser expandida para criar estados quânticos fotônicos mais complexos.

“Este trabalho não é apenas de importância fundamental, mas também nos aproxima de gerar novos estados quânticos, onde os fótons estão entrelaçados de todas as maneiras possíveis, ou seja, no espaço, no tempo e na polarização,” acrescenta o Prof. Robert Fickler, que lidera o grupo de Óptica Quântica Experimental onde o experimento foi realizado.

Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam melhorar a eficiência geral de seu esquema e desenvolver melhores estratégias para medir o estado quântico gerado, de modo que no futuro essas agulhas fotônicas possam ser encontradas mais facilmente no feno do laboratório. Além disso, os pesquisadores visam aproveitar os estados quânticos de múltiplos fótons gerados para novos testes quânticos fundamentais e aplicações em fotônica quântica, como comunicação quântica e esquemas de rede.