Duas novas demonstrações trazem a espinha dorsal da internet quântica, os repetidores quânticos, um pouco mais perto.
Quando o precursor da Internet de hoje transmitiu sua primeira mensagem em 1969, computadores clássicos desajeitados, mas funcionais, já existiam há décadas . Agora, os físicos estão projetando os fios embrionários de toda uma nova Internet para mover e manipular um tipo radicalmente diferente de informação: o bit quântico, ou "qubit". E desta vez, eles não estão esperando que os computadores correspondentes existam primeiro.
Duas equipes já demonstraram um conjunto de tecnologias essenciais para construir o backbone de tal rede - dispositivos conhecidos como repetidores quânticos. Os pesquisadores conseguiram, pela primeira vez, usar partículas de luz para unir dois cristais separados por dezenas de metros em um único sistema mecânico quântico e verificar a conexão de forma simples. Os experimentos prenunciam um futuro em que instituições em todo o planeta podem tirar proveito de um tipo bizarro de conexão chamado entrelaçamento .
"Este é com certeza um novo passo para aplicações de repetidores quânticos", disse Julien Laurat, físico da Universidade Sorbonne, na França, que não esteve envolvido na pesquisa.
Armazenando luz na matéria
Um pilar da tecnologia da informação quântica é o qubit, que é um sistema (como uma partícula) que existe em uma combinação de dois estados conhecido como "superposição". O rico comportamento do qubit em comparação com o de um bit clássico (que pode existir apenas como 0 ou 1) permite novos modos de computação, algo como um dado de seis lados é adequado para jogos diferentes de uma moeda de dois lados.
Nos experimentos recentes, equipes da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) e do Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO) na Espanha usaram fótons, ou partículas de luz, para criar qubits. Experimentos anteriores muitas vezes armazenaram informações de fótons em nuvens de gás controladas precisamente com lasers, mas os pesquisadores do USTC e ICFO desenvolveram um novo tipo de disco rígido quântico de "estado sólido": cristais de vidro preenchidos, ou "dopados", com íons de uma espécie rara -terra de metal. Os íons tomaram o lugar do gás em experimentos anteriores, e o vidro os manteve no lugar.
"Você pode pensar em nossos cristais dopados como uma nuvem congelada", disse Samuele Grandi, um físico do ICFO que trabalhou em um dos experimentos.
Quando um fóton entra no cristal, ele colide com os íons (que os pesquisadores prepararam cuidadosamente para responder à partícula que chega) e transfere sua energia para eles. Nesse momento, o cristal está segurando o qubit do fóton e servindo como uma memória quântica, um dispositivo de armazenamento de informações quânticas.
Uma conexão assustadora
O segundo pilar da comunicação quântica é um elo etéreo denominado emaranhamento, no qual duas partículas ou grupos de partículas atuam como um sistema, mesmo quando separados por grandes distâncias. Esse fenômeno está no cerne de uma internet quântica, conectando dispositivos quânticos da mesma forma que cabos de fibra óptica e ondas de rádio conectam computadores clássicos. Uma rede quântica pode estender-se tanto quanto se pode emaranhar memórias quânticas, e não mais longe.
O problema é que, ao contrário dos bits em um disco rígido, as rígidas regras da mecânica quântica proíbem a cópia e retransmissão de qubits em uma memória quântica (uma propriedade que ajuda a tornar as mensagens quânticas teoricamente à prova de hack). Para superar esse obstáculo, os pesquisadores imaginam memórias quânticas encadeadas em série com repetidores. Para algum dia enredar as memórias entre Boston e Washington, DC, por exemplo, pode-se enredar a memória de Boston com uma memória em um repetidor de Nova York, e o repetidor de Nova York com a memória de Washington, DC.
Grandi e seus colaboradores deram um passo notável em direção a esse dispositivo. Seu aparato começa com dois dispositivos semelhantes a laser, um de cada lado, e qualquer um deles pode produzir um par de fótons emaranhados. Mesmo essa primeira etapa é um desafio, com cada dispositivo tendo apenas uma chance em 1.000 de fazê-lo.
Mas com persistência, eventualmente um dispositivo disparará fótons gêmeos. Um fóton vai direto para uma memória quântica correspondente (o vidro dopado) e o outro desce por um cabo de fibra óptica. No meio do caminho entre os dois dispositivos (e suas memórias), esse fóton atinge um divisor de feixe - um material que permite que o fóton atravesse metade do tempo.
É aí que a magia quântica acontece. Quando Grandi e seus colaboradores veem um fóton saindo do divisor de feixe, eles não têm ideia se ele veio do lado direito ou esquerdo. Portanto, eles não têm ideia se o fóton parceiro está vivendo na memória da direita ou na memória da esquerda. A mecânica quântica dá a essa incerteza uma consequência profunda. Uma vez que o fóton armazenado pode estar residindo na memória da direita ou na memória da esquerda, ele deve existir em uma superposição de direita e esquerda, ambos presentes e ausentes em ambas as memórias de uma forma que emaranhe os dois cristais.
"O fato de você não saber de que maneira ele veio [de]", disse Grandi, "é o que gera o emaranhamento entre as memórias que agora contêm um fóton entre elas."
Quando bem sucedido, o aparato do grupo armazenava um fóton entre duas memórias emaranhadas em laboratórios vizinhos, separados por 10 metros - um resultado frequentemente descrito matematicamente em livros quânticos, mas raramente experimentado no mundo real.
"Isso, para mim, foi estonteante", disse Grandi ao Live Science. "Você sabe que funciona, mas então você vê e isso é realmente contra-intuitivo."
Crucialmente, a equipe poderia facilmente confirmar a conexão surreal. Um fóton emergindo do divisor de feixe significa que as memórias estão emaranhadas. Os pesquisadores chamam essa partícula de fóton anunciador porque ela "anuncia" o emaranhamento. Outros físicos já emaranharam memórias quânticas de vários tipos antes, mas os experimentos ICFO e USTC foram os primeiros a emaranhar memórias de cristal com este sinal claro de emaranhamento.
O aparelho ICFO também usou luz do mesmo comprimento de onda usada em cabos de fibra óptica e provou que suas memórias podiam fazer várias tentativas de emaranhamento ao mesmo tempo - um passo em direção a uma rede quântica que transporta diferentes mensagens simultaneamente. O grupo USTC, em contraste, conseguiu uma forma de emaranhamento entre dois fótons que é mais imediatamente útil, embora sua conexão tenha vida mais curta. As equipes descreveram seu trabalho em dois estudos publicados em 2 de junho na revista Nature.
Esses resultados "fornecem passos importantes na construção de blocos de futuras cadeias de repetidoras quânticas", disse Ronald Hanson, pesquisador de comunicações quânticas da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, ao Live Science por e-mail. "Para o campo que trabalha com memórias baseadas em conjuntos de estado sólido, isso impulsiona significativamente o estado da arte."
Uma longa estrada pela frente
O experimento ICFO representa o culminar de uma década de trabalho liderado pelo físico Hugues de Riedmatten para desenvolver os procedimentos, materiais e dispositivos necessários para criar o elo anunciado. Grandi e seu colega do ICFO, Dario Lago-Rivera, também foram ao extremo para isolar os componentes rudimentares do repetidor da turbulência do mundo. Se as vibrações do prédio ou uma rajada de ar quente fizessem o cabo de metros de comprimento se esticar até mesmo uma dúzia de nanômetros, por exemplo, a perturbação arruinaria o experimento.
Apesar do progresso, repetidores quânticos práticos que podem confiavelmente emaranhar memórias entre cidades - muito menos continentes - ainda estão a anos de distância. As memórias ICFO podem lembrar seus qubits por apenas 25 microssegundos, tempo suficiente para se enredar com outra memória a não mais que 3 milhas (5 quilômetros) de distância. O sistema mimado também não é confiável, com tentativas de gravar um fóton na memória com êxito em apenas 25% das vezes.
No entanto, os pesquisadores têm várias ideias para melhorar sua configuração. Estimulados pelo sucesso de combinar tantos elementos quânticos, eles acreditam que estão no caminho para estender o emaranhamento e as comunicações quânticas de laboratórios vizinhos para cidades vizinhas.
"Este foi um ponto de partida de prova de princípio", disse Grandi. Queríamos apenas "ver se tudo funciona".
Fonte: Live Science.
