Ótica Quântica e Informação Quântica

O campo de informação quântica nasceu quando se percebeu a possibilidade de se utilizar o comportamento contra-intuitivo do mundo quântico para produzir protocolos de comunicação, computação e simulação de sistemas quânticos de forma mais eficiente que os protocolos clássicos. Nosso grupo atua com propostas teóricas e implementações experimentais de diversos protocolos de informação quântica. Também investigamos formas eficientes de se realizar a tomografia de estados quânticos, que tem como objetivo a determinação de estados quânticos através de medições realizadas em um conjunto de sistemas identicamente preparados. Protocolos para a tomografia de processos, que visam descobrir qual o efeito de um canal de transmissão de dados nos bits quânticos que passam por ele, por exemplo, também são estudados. Maneiras de se produzir, manipular e medir bits quânticos (sistemas de 2 níveis) e dits quânticos (sistemas com mais de 2 níveis) são investigados teórica e experimentalmente.

O grupo possui 4 laboratórios bem equipados para a realização de experimentos em ótica quântica. Uma das técnicas experimentais implementada é a geração de pares de fótons gêmeos em cristais não lineares. Esses fótons gêmeos possuem correlações mais fortes do que as permitidas pela física clássica devido ao emaranhamento do sistema. Isso faz com que eles se comportem como se fossem uma entidade única, mesmo estando separados, implicando em resultados experimentais que não se adequam de forma alguma à nossa intuição. A investigação dessa estranheza do mundo quântico, bem como a aplicação dessas correlações quânticas em protocolos de informação quântica, fazem parte da gama de experimentos realizados no grupo. Outra técnica experimental implementada é a geração de bits e dits quânticos nos graus de liberdade espaciais de feixes laser. O controle do perfil transversal dos feixes com moduladores espaciais de luz permite a implementação de diversos algoritmos de informação quântica com esse sistema.

Com a presença de um grupo experimental forte em ótica quântica, a proposta de experimentos que possam ser realizados na UFMG, bem como a modelagem dos experimentos realizados, são atividades teóricas constantes. Além disso, diversos outros temas são tratados. Estudamos memórias quânticas formadas por nuvens de átomos frios, que armazenam a informação de um fóton em uma excitação coerentemente distribuída em milhares de átomos. Também estudamos o sistema de eletrodinâmica de cavidade, em que átomos interagem de forma extremamente controlada com fótons em cavidades óticas. O secular debate Abraham-Minkowski, que discute o momento linear de um fóton quando este se propaga por um meio material, também é tema de estudo do grupo.

O mundo quântico se comporta de maneira completamente distinta do que estamos acostumados com nossas percepções “clássicas” do mundo macroscópico. Estudamos comportamentos inusitados de sistemas quânticos, dos pontos de vista teórico e experimental, com o intuito de trazer uma compreensão mais profunda da teoria quântica. Efeitos de interferência quântica, que demonstram a dualidade onda-partícula para entidades microscópicas, são temas de pesquisa do grupo. Também estudamos correlações puramente quânticas, como o emaranhamento, que tornam impossível uma descrição realista e local da natureza. Efeitos relativísticos em sistemas quânticos também são temas de estudo do grupo, relevantes quando partículas quânticas se propagam com velocidades próximas à da luz. Outro tema de estudo é o comportamento de sistemas quânticos com partículas indistinguíveis. Investigações sobre a não-markovianidade de sistemas quânticos, demonstrando que informação flui do sistema de interesse para o ambiente e depois retorna durante a dinâmica temporal do sistema completo, também são feitas pelo grupo.

Em sistemas de elétrons fortemente interagentes, novas propriedades físicas emergem da interação entre as partículas, sendo necessários, para descrevê-las, tratamentos teóricos específicos, que vão além de uma descrição em termos de partículas independentes. Propriedades de informação quântica, como diferentes medidas de emaranhamento, podem auxiliar no estudo de transições de fase em sistemas interagentes; a relação entre essas propriedades e as transições de fase é objeto de estudo do nosso grupo. Também temos interesse no estudo da dinâmica de não-equilíbrio de sistemas fortemente interagentes, que pode ser simulada em experimentos com átomos frios em redes óticas. Teoricamente, estudamos, por exemplo, processos denominados “quenches” quânticos, em que um sistema é preparado no seu estado fundamental, algum parâmetro do sistema é então alterado e ele passa a seguir a dinâmica determinada pela alteração realizada.