Criado primeiro link de comunicação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/04/2012

Átomos formam os nós de uma rede quântica na qual a informação é transmitida por fótons individuais através de cabos de fibra óptica.
[Imagem: Andreas Neuzner/MPQ]

Rede quântica

Cientistas alemães demonstraram na prática o primeiro link de comunicação quântica de "longa distância".

Embora a rede demonstrada seja primária, com apenas dois nós, o experimento demonstra que a tecnologia atual já é capaz de viabilizar comunicações quânticas usando os tradicionais cabos de fibras ópticas.

Redes quânticas podem ser usadas não apenas para a transmissão de dados em altíssima velocidade, com uma largura de banda impensável para os padrões atuais, como também pode fazer isso com uma segurança quase absoluta.

E elas também podem ter usos mais fundamentais, como na criação de simuladores quânticos para estudar fenômenos físicos de qualquer natureza.

Stephan Ritter e seus colegas do Instituto Max Planck construíram uma rede que acopla dois átomos individuais, que representam dois nós de uma rede.

Teoricamente, a rede pode crescer à vontade, apenas acrescentando novos átomos como nós adicionais.

Nó atômico

Um átomo individual é a menor memória possível para a informação quântica, e os fótons individuais são os melhores mensageiros para trocar essas informações entre os átomos.

Contudo, a transferência eficiente da informação entre um átomo e um fóton exige uma forte interação entre os dois, o que não se pode obter com átomos no espaço livre.

Para funcionar como nós de uma rede quântica, os átomos são aprisionados em cavidades ópticas - dois espelhos altamente reflexivos, colocados a uma curta distância um do outro.

Quando um fóton entra nessa cavidade, ele é refletido pelo espelho milhares de vezes, o que garante seu acoplamento com o átomo-memória.

A troca de informações entre um átomo e um fóton baseou-se em feitos anteriores da mesma equipe, que construiu uma memória atômica e depois criou um transístor quântico com transparência induzida por luz.
[Imagem: Gerhard Rempe]

Comunicação quântica

Foram vários desafios para demonstrar o funcionamento da rede quântica: primeiro, o átomo tinha que ser mantido dentro da cavidade óptica pelo tempo suficiente, o que foi realizado com a ajuda de feixes de laser precisamente ajustados.

Em segundo lugar, foi preciso garantir que o átomo emitisse apenas um fóton de cada vez.

Depois, foi preciso provar que o sistema funciona como uma interface perfeita para armazenar a informação codificada em um único fóton.

Finalmente, foi necessário conectar dois desses nós de rede quântica, trocar informações usando cada fóton individual, aferir que a informação estava chegando com alta eficiência e, mais importante, que a informação estava chegando corretamente.

Tudo isto foi demonstrado em um experimento onde cada nó da rede quântica ficou em um laboratório vizinho do outro, a 21 metros de distância, conectados por um cabo de fibra óptica de 60 metros de comprimento.

Como a rede quântica funciona

Redes quânticas apresentam propriedades peculiares, não encontradas nas redes clássicas.

Isto se deve ao comportamento fundamentalmente diferente da informação que é trocada: enquanto um bit clássico representa 1 ou 0, um bit quântico pode assumir os dois valores ao mesmo tempo, um fenômeno chamado "superposição coerente". Uma medição, no entanto, faz o qubit colapsar para um dos dois valores.

No átomo-memória, a informação quântica é codificada em uma superposição coerente de dois níveis de energia.

Quando o átomo no nó A emite um fóton, estimulado por um pulso de luz de um laser de controle, o seu estado quântico é mapeado no estado de polarização do fóton.

Através da fibra óptica, o fóton atinge o nó B, onde ele é absorvido. Durante este processo, o estado quântico originalmente preparado no átomo A é transferido para o átomo no nó B.

Como resultado, A é capaz de receber o próximo fóton, enquanto B está pronto para enviar a informação armazenada de volta para o nó A ou para qualquer outro nó da rede.

Diagrama esquemático do funcionamento do primeiro protótipo de uma rede quântica.
[Imagem: Ritter et al./Nature]

É esta característica simétrica e reversível que torna o sistema escalável para configurações arbitrárias de rede, consistindo de múltiplos nós de átomos individuais.

"Nós conseguimos provar que estados quânticos podem ser transferidos muito melhor do que seria possível com qualquer rede clássica," afirmou o Dr. Ritter.

Internet quântica e teletransporte

Em outro passo do experimento, os cientistas conseguiram gerar um entrelaçamento quântico entre os dois nós da rede.

O entrelaçamento, ou emaranhamento, é uma característica única para objetos quânticos, que os conecta de forma que suas propriedades ficam fortemente correlacionadas, não importando o quão longe eles sejam separados no espaço.

"Nós construímos o primeiro protótipo de uma rede quântica", comemora Ritter. "Conseguimos fazer a troca reversível de informação quântica entre os nós. Além disso, podemos gerar o entrelaçamento remoto entre os dois nós e mantê-lo por cerca de 100 microssegundos, enquanto a geração do entrelaçamento leva apenas cerca de um microssegundo."

Mostrando o potencial para a otimização da rede quântica, basta lembrar que, no final do ano passado, uma equipe da Dinamarca conseguiu preservar o entrelaçamento quântico por até uma hora:

• Recorde na transmissão de informações quânticas

O entrelaçamento de dois sistemas separados por uma distância grande é um fenômeno fascinante por si mesmo, mas também pode servir como um recurso para o teletransporte de informações quânticas.

"Um dia, isso pode não apenas tornar possível transmitir informações quânticas a distâncias muito grandes, mas também permitir uma internet inteiramente quântico," prevê Ritter.

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