Dado de qubit de luz é teletransportado para objeto mecânico vibratório

Com informações da Fapesp e Phys.org - 10/11/2021

O experimento expande muito a "fronteira" entre o mundo quântico e o mundo clássico, mostrando que os estranhos comportamentos da mecânica quântica podem ser transferidos para objetos grandes.
[Imagem: Niccolò Fiaschi et al. - 10.1038/s41566-021-00866-z]

Teletransporte da luz para vibração mecânica

A computação quântica emprega qubits (bits quânticos) que consistem em, por exemplo, elétrons, fótons, átomos ou até mesmo defeitos atômicos no interior do diamante.

E o teletransporte de informações diretamente entre esses qubits emergiu recentemente como uma das técnicas mais promissoras para viabilizar processadores com grandes números de qubits.

Agora, um grupo de pesquisadores do Brasil e dos Países Baixos desenvolveu uma técnica que permite teletransportar o dado de um fóton - a unidade básica da luz - para um dispositivo optomecânico, uma estrutura vibratória composta por bilhões de átomos.

Esta técnica inovadora permite aplicações diretas no mundo real, incluindo a criação de nós de rede repetidores para a internet quântica, ao mesmo tempo que permite que a própria mecânica quântica seja estudada de novas maneiras.

"Assim como ocorre na internet clássica, a internet quântica necessitará de uma rede de repetidores de sinais, que distribuirão a informação para qualquer lugar do mundo. Em nosso estudo, obtivemos a transferência fiel de um estado quântico desconhecido para um sistema quântico remoto. Isso nos permite visualizar um cenário de comunicação quântica de longa distância, necessária para a construção de uma futura internet quântica," explicou o professor Thiago Alegre, da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas).

Teletransporte quântico

No experimento, um estado quântico arbitrário foi codificado em um qubit fotônico por meio de um feixe de luz polarizado. O fóton foi então enviado por dezenas de metros de fibra óptica e, finalmente, teletransportado para dois ressonadores de silício, cada qual com bilhões de átomos - cada um deles mede 0,01 milímetro de diâmetro.

Para isso, os pesquisadores precisaram gerar um estado entrelaçado entre os modos mecânicos dos dois micro-osciladores, permitindo a manipulação a longa distância desses estados. Por fim, a equipe demonstrou a confiabilidade do processo, recuperando fielmente o estado quântico original que estava no fóton a partir da memória dos ressonadores.

O teletransporte quântico tem sido realizado em variados tipos de experimentos. A novidade trazida pela equipe foi a utilização de dispositivos optomecânicos para a recepção do sinal. Um dispositivo optomecânico é uma estrutura que pode vibrar por ação da luz, por exemplo, ou interferir com a luz devido às suas vibrações. Essa interação entre a luz e uma vibração mecânica já havia sido detalhada pela mesma equipe em um trabalho anterior.

"Tais dispositivos podem ser projetados para operar com qualquer comprimento de onda, inclusive o infravermelho. Esse é o comprimento de onda com menor perda de transmissão, permitindo assim a maior distância entre os repetidores," disse o professor Simon Gröblacher, da Universidade de Tecnologia de Delft.

O experimento, realizado por pesquisadores neerlandeses e brasileiros, é um importante passo rumo à internet quântica.
[Imagem: Niccolò Fiaschi et al. - 10.1038/s41566-021-00866-z]

Perspectivas futuras

Segundo Alegre, um próximo passo necessário para trazer esta técnica para aplicações no mundo real consistirá em projetar sistemas optomecânicos que sejam menos sujeitos a interferências de luzes "parasitas". "Isso pode ser feito graças à grande flexibilidade desses dispositivos nanofabricados," afirmou ele.

Na verdade, esta linha de pesquisa representa uma avenida direta para a construção de uma futura internet quântica híbrida, que funcionaria de forma heterogênea, com vários sistemas físicos se comunicando e realizando diferentes funcionalidades - a maioria dos processadores quânticos atuais, por exemplo, não usa qubits fotônicos, mas supercondutores ou atômicos.

"Poderemos ter nós repetidores quânticos optomecânicos conectados a um computador quântico ou memória consistindo em qubits supercondutores ou sistemas quânticos de spin [elétrons]. Todos esses componentes terão de ser compatíveis uns com os outros e operarem no mesmo comprimento de onda, a fim de transferir fielmente as informações quânticas," antevê Gröblacher. "É por isso que este é um trabalho importante, pois foi possível criar uma plataforma versátil capaz de interligar vários desses sistemas", completou Alegre.

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