A física quântica está na base de algumas das tecnologias mais estratégicas do presente e do futuro, da computação de alto desempenho à comunicação ultra-segura baseada em criptografia quântica. Nesse cenário, a capacidade de medir e controlar com precisão os estados quânticos, especialmente da luz, principal meio de transmissão de informação, tornou-se um dos grandes desafios científicos e tecnológicos da atualidade.
É nesse contexto que uma colaboração entre pesquisadores da Universidade Federal Fluminense (UFF), envolvendo os laboratórios de Óptica Quântica do Instituto de Física (LOQ-IF) de Niterói, liderado pelo professor Antonio Zelaquett Khoury, e de Óptica (LO) do Instituto de Ciências Exatas (ICEx) em Volta Redonda, sob coordenação do professor José Augusto Oliveira Huguenin, propõe uma forma mais simples e precisa de analisar estados complexos da luz. O trabalho tem como um de seus protagonistas o doutorando Daniel Braga, cujo estudo foi reconhecido pela Sociedade Brasileira de Física. Também conta com a participação dos doutorandos Marcos Gil de Oliveira e Guilherme Tadeu.
O desenvolvimento da técnica evidencia a dinâmica colaborativa da pesquisa científica. A solução surgiu da integração entre grupos da UFF com expertises distintas, um voltado à análise espacial da luz, outro à polarização, e foi impulsionada, em grande medida, pela interação entre estudantes de pós-graduação. “Foram muitas reuniões, e os estudantes discutiram bastante para chegar no formato final”, relata Huguenin.
Foi nesse ambiente de discussões que a parceria entre os grupos começou a se desenhar de maneira mais concreta. Marcos Gil conta que a aproximação surgiu durante o congresso Quantum Paraty, quando os pesquisadores perceberam que métodos que vinham sendo desenvolvidos separadamente poderiam ser integrados em uma proposta mais ampla. “Percebemos que o método que estávamos desenvolvendo em Niterói para analisar a estrutura espacial da luz poderia ser adaptado para um problema mais amplo, que também incluía a polarização. A partir daí, construímos essa proposta em conjunto: um grupo desenvolveu o método, o outro realizou o experimento e, depois, fizemos a análise integrada dos resultados”.
Para Braga, essa dimensão coletiva é central: “Eu compreendo a produção de ciência como algo que deve ser feito de modo coletivo, e esse trabalho é um ótimo exemplo disso.” A experiência intercampi, segundo ele, fortalece a pós-graduação e amplia o alcance da pesquisa desenvolvida na universidade.
O desafio de descrever tudo o que a luz pode ser
Para entender o avanço, é preciso partir de uma característica fundamental da luz: seu comportamento dual. Em determinadas situações, ela se comporta como partícula; em outras, como onda, e é nesse segundo aspecto que a pesquisa se concentra. “A luz pode ser compreendida como uma onda eletromagnética, como as ondas de rádio, por exemplo”, explica Braga. A complexidade surge porque essa onda não é simples: ela carrega diferentes “graus de liberdade”, como a polarização, que indica a direção de vibração do campo elétrico, e o perfil transverso, que descreve como a luz se distribui no espaço.
Na prática, isso significa que descrever completamente um feixe de luz é como tentar registrar, ao mesmo tempo, sua forma, sua orientação e todas as possíveis combinações entre essas características. “A parte interessante é que tratamos esses dois graus de liberdade simultaneamente e buscamos entender como eles se correlacionam”, afirma o pesquisador. Esse tipo de correlação é justamente o que sustenta aplicações em tecnologias quânticas, mas também é o que torna sua medição tão desafiadora.
“Os estados quânticos são a nossa expressão sobre como se apresenta um determinado sistema”, complementa Khoury. “E a determinação desse estado é uma tarefa muito complexa, especialmente quando o sistema pode assumir muitas configurações diferentes.” Tradicionalmente, essa reconstrução exige experimentos extensos, baseados em instrumentos ópticos delicados e difíceis de estabilizar. “Em geral são instrumentos difíceis de manter alinhados. Uma vez que você alinha, ele perde o alinhamento facilmente”, acrescenta Huguenin.
Como imagens substituem experimentos complexos?
O avanço proposto pela equipe da UFF está justamente em inverter essa lógica. Em vez de depender de arranjos experimentais cada vez mais complexos, os pesquisadores desenvolveram uma forma de reconstruir o estado da luz a partir de imagens captadas por câmeras. A ideia se aproxima de uma tomografia: diferentes imagens funcionam como “fatias” de informação que, combinadas, permitem reconstruir um todo que não pode ser observado diretamente.
Foto: artigo
A base dessa abordagem vem de uma técnica desenvolvida no campus de Niterói, que permite analisar o perfil espacial da luz a partir da comparação entre a imagem original do feixe e outra obtida após sua passagem por uma lente inclinada. O trabalho de Daniel Braga consiste em dar um passo além: integrar essa estratégia à análise da polarização, permitindo uma reconstrução completa dos chamados estados spin-órbita.
“O método que propomos simplifica significativamente a análise desses modos e apresenta maior robustez e precisão quando comparado aos métodos atualmente presentes na literatura”, explica Braga. Na prática, o doutorando explica que isso reduz o número de componentes experimentais, diminui o tempo de medição e aumenta a confiabilidade dos resultados. “O avanço é você conseguir fazer de forma mais limpa e precisa as medidas”, resume o professor Huguenin.
No centro desse processo está a reconstrução da chamada matriz de densidade, uma estrutura matemática que reúne todas as informações do sistema quântico. “Ela é o objeto que representa o estado em si. É o que contém toda a informação física sobre o sistema”, explica Khoury. Em outras palavras, é como se as imagens captadas deixassem de ser apenas registros visuais e passassem a funcionar como dados completos sobre o comportamento da luz.
Assim, ao tornar mais acessível a reconstrução de estados quânticos da luz, a técnica desenvolvida na UFF contribui diretamente para o avanço experimental da chamada informação quântica – área que investiga novas formas de processar e transmitir dados. “O desenvolvimento de técnicas mais eficientes e precisas de caracterização de estados quânticos é essencial para o avanço da área”, afirma Braga.
Portanto, os pesquisadores reforçam que, mais do que resolver um problema específico, o trabalho aponta para uma mudança mais ampla: a possibilidade de transformar experimentos antes restritos a ambientes altamente controlados em procedimentos mais robustos, reprodutíveis e próximos de aplicações reais. Em um campo onde o maior desafio é medir com precisão aquilo que não pode ser visto diretamente, usar imagens para acessar o invisível se apresenta não apenas como uma solução técnica, mas como uma nova forma de tornar a física quântica mais concreta, mensurável e precisa.
________________________________________
Antonio Zelaquett Khoury possui graduação em Física pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1987), tendo obtido a menção CUM LAUDE. Realizou mestrado (1990) e doutorado (1994) em Física na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. De 1994 a 1996 fez pós-doutorado no Departamento de Física da Universidade Federal de Pernambuco na área de Caos em Lasers. De 1996 a 1998 fez pós-doutorado no Laboratoire Kastler Brossel (Ecole Normale Superieur – França) na área de Óptica Quântica em Átomos Frios e Diodos-Laser. Atualmente é Professor Titular da Universidade Federal Fluminense desde 2016, Pesquisador 1C do CNPq e Cientista do Nosso Estado da FAPERJ. Tem experiência na área de Ótica e Informação Quântica, com ênfase no estudo de luz estruturada, sua interação em meios não lineares e aplicações à comunicação quântica. Em 2022 foi eleito FELLOW MEMBER da OPTICA Society (antiga Optical Society of America). No mesmo ano, recebeu o Prêmio de Excelência Científica da Universidade Federal Fluminense na área de Ciências Exatas e da Terra. É editor da revista Optics Letters desde 2021.
Jose Augusto Oliveira Huguenin possui graduação (2001) e doutorado (2006) em Física pela Universidade Federal Fluminense. Realizou estágio de Doutorado Sanduíche no Laboratoire Kastler Brossel-Paris (2005). Atualmente é Professor Titular da Universidade Federal Fluminense. Tem experiência na área de Física, com ênfase em óptica. É credenciado no Curso de Pós-graduação em Física da UFF e no Polo 15 do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física da Sociedade Brasileira de Física. É Bolsista de produtividade em pesquisa do CNPq – Nível 1D e Cientista do Nosso Estado da FAPERJ. Coordena o Laboratório de Óptica do Instituto de Ciências Exatas-ICEx da UFF em Volta Redonda. Membro do INCT-Dispositivos Quânticos, sendo Coordenador Adjunto de Comunicação do INCT-DQ . Realiza pesquisa em Óptica Quântica, Informação Quântica, Óptica Aplicada e Ensino de Física.
Daniel Gonzaga Braga possui graduação em Física pela Universidade Federal Fluminense (2018), mestrado em Física pela Universidade Federal Fluminense (2021) e doutorado em Física pela Universidade Federal Fluminense (2025). Atualmente faz estágio de pós-doutorado da Universidade Federal de Pernambuco com bolsa da CNPq. Tem experiência na área de Física, atuando principalmente nos seguintes temas: informação e computação quântica e óptica.
Marcos Gil de Oliveira possui graduação em Física pela Universidade Federal Fluminense (2020), mestrado em Física pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (2023) e doutorado em Física em andamento pela Universidade Federal Fluminense (2023-atual). Tem experiência na área de Física, atuando principalmente nos seguintes temas: informação e computação quântica e óptica.