Pulsed coherent and squeezed driving of a spin-$S$ emitter as a deterministic source of Wigner-negative light

No domínio da tecnologia quântica, a luz não é apenas um feixe que ilumina uma sala; é uma ferramenta delicada capaz de carregar informações de maneiras que a física clássica não consegue explicar. Para muitas aplicações avançadas, como a construção de computadores quânticos ou a realização de medições ultraprecisas, os cientistas precisam de luz que se comporte de uma maneira distintamente estranha. Esse comportamento é frequentemente descrito por um mapa matemático chamado distribuição de Wigner, que atua como um mapa topográfico para o estado quântico da luz. Nesse mapa, a maioria da luz comum, como a de um laser de apontador, parece uma colina positiva e suave. No entanto, os estados quânticos de luz mais úteis possuem vales "negativos" neste mapa. Essas regiões negativas são uma assinatura definitiva de que a luz está se comportando de uma maneira impossível para objetos clássicos, marcando-a como um recurso para a próxima geração de tecnologia. O desafio sempre foi como criar esses estados negativos de forma confiável. Historicamente, os cientistas tiveram que confiar na sorte, gerando a luz e depois esperando que uma medição confirmasse que funcionou, um processo que é lento e ineficiente.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Auckland encontrou uma maneira de contornar essa dependência do acaso. Eles demonstraram, através de simulações computacionais detalhadas, que podem gerar esses valiosos estados negativos de luz sob demanda, utilizando um método que é tanto determinístico quanto altamente eficiente. A abordagem deles envolve disparar um pulso de luz curto e controlado contra um emissor minúsculo, um sistema semelhante a um átomo que pode existir em diferentes estados de energia. Ao moldar cuidadosamente o pulso e o tempo de interação, eles podem forçar a luz que sai do emissor a transformar-se num estado com vales negativos profundos em seu mapa de Wigner. Os pesquisadores descobriram que este método produz luz com um nível de estranheza quântica muito superior ao que era anteriormente possível com fluxos contínuos e constantes de luz. Eles mostraram que, ao ajustar a força e a forma do pulso de entrada, poderiam criar estados quânticos específicos e altamente complexos, incluindo aqueles que se assemelham a um único fóton que foi deslocado no espaço, ou até mesmo formas mais exóticas que se parecem com uma superposição de dois estados comprimidos (squeezed states) diferentes.

O estudo começa analisando um sistema simples de dois níveis, que atua como um interruptor básico que pode estar ligado ou desligado. Quando este sistema é atingido por um pulso de luz coerente, os pesquisadores observaram que a luz de saída pode ser ajustada para exibir fortes características negativas. Eles descobriram que a quantidade de negatividade não é um aumento simples e constante à medida que o pulso se torna mais forte; em vez disso, ela flutua em um padrão complexo. Ao usar técnicas de otimização para encontrar a combinação perfeita de largura de pulso e tempo, eles identificaram uma configuração específica que produz um estado muito próximo de um estado de fóton único deslocado. Esta é uma descoberta significativa porque sugere uma maneira confiável de criar um bloco de construção fundamental para a computação quântica sem a necessidade de filtrar resultados indesejados. As simulações mostraram que este estado ideal possui um volume negativo, uma medida de quanta "estranheza quântica" está presente, que é mais de cinco vezes maior do que o alcançado em experimentos anteriores usando métodos de condução contínua.

Os pesquisadores então expandiram sua investigação para emissores mais complexos, sistemas que podem conter mais do que apenas dois níveis de energia, semelhantes a um dial com múltiplos ajustes em vez de um simples interruptor. Eles descobriram que conduzir esses sistemas de spin mais alto com pulsos de luz produzia resultados ainda mais dramáticos. À medida que aumentavam a complexidade do emissor, a quantidade de negatividade na luz de saída crescia significativamente. Para um sistema com spin de três meios, o volume negativo atingiu níveis que excedem em muito qualquer outro método determinístico conhecido atualmente. As formas desses novos estados começaram a se assemelhar a padrões de múltiplos fótons, sugerindo que esta técnica poderia ser usada para gerar deterministicamente estados com números específicos de partículas, uma capacidade que é atualmente muito difícil de alcançar.

Em uma segunda linha de investigação, a equipe substituiu os pulsos de luz coerente padrão por pulsos de luz comprimida (squeezed light). A luz comprimida é um tipo especial de luz onde a incerteza em uma propriedade é reduzida em detrimento de outra, tornando-a uma ferramenta poderosa para precisão. Quando conduziram o sistema simples de dois níveis com esses pulsos comprimidos, os estados de luz resultantes pareceram estados de "gato de Schrödinger", que são superposições de duas realidades quânticas distintas. Esses estados são altamente valorizados pelo seu potencial de uso em computação quântica com correção de erros. As simulações revelaram que o método pulsado novamente superou os métodos de estado estacionário, produzindo estados com vales negativos muito mais profundos. Os pesquisadores foram capazes de ajustar finamente a compressão e o tempo do pulso para maximizar este efeito, encontrando um ponto ideal onde o estado gerado era quase idêntico a um estado teórico de gato comprimido.

Talvez a descoberta mais surpreendente tenha ocorrido quando aplicaram pulsos comprimidos a um emissor de spin um, um sistema com três níveis de energia. Aqui, a física tomou um rumo único. A interação entre a luz comprimida e o sistema de três níveis resultou em um estado onde o componente de dois fótons estava quase inteiramente ausente. Na luz de saída, a probabilidade de encontrar exatamente dois fótons foi suprimida, enquanto outros números de fótons permaneceram. Este fenômeno, que os pesquisadores chamam de "exclusão de dois fótons", cria um padrão de grade no mapa quântico que é reminiscente de um tipo específico de código de correção de erro quântico conhecido como estado GKP. Estes estados são considerados o santo graal para a construção de computadores quânticos robustos porque podem proteger a informação contra o ruído. As simulações mostraram que a luz gerada desta forma compartilha um alto grau de semelhança com esses estados GKP ideais, oferecendo um novo caminho potencial para criá-los deterministicamente.

Ao longo de todo o trabalho, os pesquisadores enfatizaram que estes resultados provêm de simulações numéricas rigorosas de um sistema em cascata, onde a luz flui de uma fonte, através de um emissor, para uma cavidade de captura. Eles modelaram cuidadosamente como os pulsos de luz interagem com o emissor e como o tempo dos pulsos afeta o estado final. Eles também exploraram imperfeições, como a luz vazando na direção errada ou o emissor estando ligeiramente fora de sintonia com a luz, que afetariam os resultados. A análise mostrou que, embora essas imperfeições reduzam a qualidade dos estados negativos, o efeito central permanece robusto desde que o sistema esteja razoavelmente bem sintonizado. O estudo conclui que, ao passar da condução contínua para a condução pulsada, e ao utilizar emissores com diferentes números de níveis de energia, é possível gerar uma ampla gama de estados de luz altamente não clássicos. Este trabalho fornece um roteiro teórico para uma fonte determinística de luz com negatividade de Wigner, aproximando o campo da realização prática de tecnologias quânticas que dependem desses estados de matéria frágeis e poderosos.