Repetidor a temperatura ambiente dá passo crucial para internet quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/02/2024

A demonstração de um repetidor quântico dá impulso para a internet quântica.
[Imagem: Universität Innsbruck/Harald Ritsch]

Rumo à internet quântica

Pesquisadores demonstraram em condições realísticas uma rede de memórias quânticas, todas com desempenho idêntico, à temperatura ambiente, um passo fundamental para o desenvolvimento de repetidores quânticos, os equipamentos que amplificam os sinais de comunicação para que eles possam trafegar longas distâncias - todas as redes informáticas possuem repetidores, também conhecidos como hubs.

Ou seja, são dois progressos marcantes alcançados em uma única demonstração: Memórias quânticas robustas, sem necessidade de resfriamento criogênico, e repetidores quânticos de alto rendimento.

A equipe também demonstrou que o processo de armazenamento e recuperação dos qubits ópticos em suas memórias não distorce significativamente o processo de interferência conjunta e permite a troca de entrelaçamento assistida por memória, um protocolo para distribuir o entrelaçamento por longas distâncias e essencial para construir sistemas quânticos operacionais.

A pesquisa com computação quântica e redes quânticas está ocorrendo em todo o mundo na esperança de desenvolver uma internet quântica no futuro, uma rede de computadores, sensores e dispositivos de comunicação que criarão, processarão e transmitirão os sensíveis estados quânticos, devendo ser literalmente um "salto quântico" em relação à internet atual, incluindo certos serviços e seguranças que a internet atual não possui.

O progresso rumo a esse futuro não é tão rápido quanto se gostaria porque o campo da ciência da informação quântica combina aspectos da física, da matemática e da computação clássica para usar a mecânica quântica para resolver problemas complexos muito mais rapidamente do que a computação clássica, e para transmitir informações de uma maneira inviolável - mesmo um protótipo de internet quântica ainda está por ser construído.

A demonstração realizada agora por Sonali Gera e colegas da Universidade Stony Brook, nos EUA, é um marco importante nesse esforço.

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Eden Figueroa, Sonali Gera e Chase Wallace mostram a mesa óptica onde fizeram sua demonstração de um repetidor quântico a temperatura ambiente.
[Imagem: John Griffin]

Rede quântica a temperatura ambiente

Os pesquisadores construíram e caracterizaram memórias quânticas que operam em temperatura ambiente e demonstraram que essas memórias têm desempenho idêntico, uma característica essencial quando o objetivo é construir redes repetidoras em larga escala, que usarão várias dessas memórias.

Eles testaram o quão idênticas essas memórias são em sua funcionalidade enviando estados quânticos idênticos para cada uma delas e realizando um processo chamado interferência Hong-Ou-Mandel nas saídas das memórias, um teste padrão para quantificar a indistinguibilidade das propriedades dos fótons. O processo de armazenamento e recuperação dos qubits ópticos nas memórias não distorceu significativamente o processo de interferência conjunta e permitiu a troca de entrelaçamento assistido por memória, um protocolo para distribuir o entrelaçamento por longas distâncias.

"Acreditamos que este é um passo extraordinário em direção ao desenvolvimento de repetidores quânticos viáveis e da internet quântica," disse Eden Figueroa, membro da equipe.

Um elemento marcante é que o hardware quântico desenvolvido pela equipe opera em temperatura ambiente, reduzindo significativamente o custo de operação e tornando o sistema muito mais rápido. Grande parte da pesquisa quântica envolve circuitos e operações em temperaturas próximas do zero absoluto, que são mais caras, mais lentas e tecnicamente mais desafiadoras para uma rede prática.

"Como as memórias são capazes de armazenar fótons com um tempo de armazenamento definido pelo usuário, também conseguimos mostrar a sincronização temporal da recuperação dos fótons, apesar de os fótons chegarem às memórias em momentos aleatórios, que é outro recurso necessário para operar um sistema de repetidor quântico," concluiu Gera.

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Ilustração do funcionamento de um repetidor quântico.
[Imagem: Chase Wallace/Stony Brook University]

Como funciona um repetidor quântico

Um salto da informação por um repetidor quântico requer duas fontes de pares de fótons entrelaçados separados pela distância L, ilustrada pelos símbolos de infinito na imagem acima.

Um fóton de cada par é enviado para um nó central de medição (área central sombreada na figura), onde são armazenados em memórias quânticas. Seus fótons parceiros são enviados em direções opostas, também armazenados em memórias quânticas separadas por uma distância 2L.

Uma medida que quantifica a indistinguibilidade dos dois fótons que chegam ao nó central, semelhante ao que foi demonstrado agora pela equipe, pode ser usada para entrelaçar os fótons distantes, permitindo que eles troquem informações sem precisar entrar em contato um com o outro.

Este protocolo é equivalente a "amplificar" efetivamente o entrelaçamento, já que distribui o entrelaçamento por uma distância que é o dobro da distância (2L) que uma única fonte de fótons entrelaçados poderia alcançar (L). Unindo vários desses saltos repetidores, é possível distribuir o entrelaçamento por centenas de quilômetros.

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