Pronta primeira rede quântica com mais de dois nós

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/04/2021

O protótipo servirá como plataforma para desenvolver os protocolos das futuras redes quânticas.
[Imagem: Cortesia Departmento de Física/Universidade da Basileia]

Qubits de diamante

Você tem ouvido falar bastante sobre uma internet quântica graças a experimentos que têm demonstrado a interligação de qubits e conjuntos de qubits, criando os primeiros protótipos de redes quânticas, que um dia deverão dar origem a uma rede das redes mundial super segura.

O que você também deve ter notado é que tudo o que foi feito até aqui consistia em interligar dois qubits, ou seja, redes com dois nós, um, geralmente chamado Bob, conversando com o outro, geralmente chamado Alice, eventualmente com um repetidor de sinais entre eles.

Agora, Matteo Pompili e colegas da Universidade de Tecnologia de Delft, nos Países Baixos, conseguiram finalmente agregar um terceiro participante, chamado Charlie, e formar a primeira rede quântica de três nós.

É certo que, há poucos dias, você tomou conhecimento de um chip semicondutor constituído por uma matriz de 4 qubits, mas aqui a coisa é bem diferente: Os três qubits estavam separados por dezenas de metros - um deles estava em outro laboratório - e foram interconectados por fibras ópticas.

Isto torna o experimento a primeira rede quântica real, não apenas por interligar três qubits, mas também por desenvolver as técnicas para acrescentar um número ilimitado deles, trocando informações entre si instantaneamente, por meio do teletransporte quântico.

Rede quântica

A rede quântica foi formada interligando três qubits na forma de vacâncias de nitrogênio, pequenos defeitos no interior de um diamante, que funcionam como qubits naturais.

Para permitir a comunicação, um quarto qubit, feito com um átomo de carbono-13, funciona como memória associada a um dos qubits de diamante. Os qubits são colocados em entrelaçamento quântico por um fóton, que serve também para sinalizar essa interconexão.

Para que a rede funcione, primeiro dois qubits (Alice e Bob) são interconectados, e então Bob copia seu dado para o qubit de memória auxiliar, no átomo de carbono. Com isso, ele fica disponível para se comunicar com Charlie, refazendo o mesmo processo, o que o torna o nó central.

Isso cria dois links, cada um com um estado entrelaçado compartilhado: Um estado compartilhado entre Alice e o qubit de memória de Bob, e o outro compartilhado entre os qubits de comunicação de Bob e Charlie. O nó central Bob então executa uma operação conhecida como medição do estado de Bell em seus dois qubits. Essa medição teletransporta o estado armazenado no qubit de memória de Bob para Charlie, que por sua vez estabelece o entrelaçamento direto entre Alice e Charlie.

Bob funciona como nó central, tendo um qubit adicional, que funciona como memória auxiliar.
[Imagem: Matteo Pompili et al. (2021)]

Passos futuros

A equipe vê dois desdobramentos práticos para sua demonstração.

O primeiro seria a adição de mais qubits a cada nó da rede, tornando esses nós não qubits isolados, mas processadores quânticos reais.

O segundo será usar a rede quântica como plataforma para o desenvolvimento das camadas de controle da rede, necessárias para automatizar a comunicação pela rede quântica, liberando os computadores quânticos para fazerem suas tarefas e enviar seus dados, sem se preocuparem com os detalhes da comunicação, como ocorre na internet optoeletrônica atual.

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