O elemento central do nosso repetidor quântico é um cubo de vidro. Colocamos dois fótons independentes, e enquanto pudermos detectar dois fótons saindo dos outros lados, sabemos que podemos realizar a troca de emaranhamento. Crédito:Wits University
Nature Communications hoje publicou pesquisa por uma equipe composta por pesquisadores escoceses e sul-africanos, demonstrando a troca de emaranhamento e o teletransporte de 'padrões' de momento angular orbital de luz. Este é um passo crucial para a realização de um repetidor quântico para estados emaranhados de alta dimensão.
A comunicação quântica em longas distâncias é parte integrante da segurança da informação e foi demonstrada em espaço livre e fibra com estados bidimensionais, recentemente em distâncias superiores a 1200 km entre satélites. Mas usar apenas dois estados reduz a capacidade de informação dos fótons, portanto, o link é seguro, mas lento. Para torná-lo seguro e rápido, é necessário um alfabeto de dimensão superior, por exemplo, usando padrões de luz, dos quais há um número infinito. Um desses conjuntos de padrões é o momento angular orbital (OAM) da luz. Taxas de bits aumentadas podem ser alcançadas usando OAM como portadora de informações. Contudo, tais estados de fótons decaem quando transmitidos por longas distâncias, por exemplo, devido ao modo de acoplamento na fibra ou turbulência no espaço livre, exigindo assim uma forma de amplificar o sinal. Infelizmente, tal "amplificação" não é permitida no mundo quântico, mas é possível fazer uma analogia, chamado de repetidor quântico, semelhante aos repetidores de fibra óptica em redes ópticas clássicas.
Uma parte integrante de um repetidor quântico é a capacidade de emaranhar dois fótons que nunca interagiram - um processo conhecido como "troca de emaranhamento". Isso é feito interferindo dois fótons de pares emaranhados independentes, resultando no emaranhamento dos dois fótons restantes. Isso permite o estabelecimento de emaranhamento entre dois pontos distantes sem exigir que um fóton percorra toda a distância, reduzindo assim os efeitos de deterioração e perda. Isso também significa que você não precisa ter uma linha de visão entre os dois lugares.
Alfabeto dos modos OAM. Os modos OAM às vezes são chamados de luz torcida, pois a luz aparece como um anel com um vórtice no meio. A luz pode ser torcida uma vez, duas vezes, três vezes e assim por diante para criar um alfabeto dimensionalmente elevado. Crédito:Wits University
Um resultado disso é que a informação de um fóton pode ser transferida para o outro, um processo chamado teletransporte. Como na série de ficção científica, Jornada nas Estrelas, onde as pessoas são "transportadas" de um lugar para outro, as informações são "teletransportadas" de um lugar para outro. Se dois fótons estão emaranhados e você altera o valor de um deles, então outro muda automaticamente também. Isso acontece mesmo que os dois fótons nunca estejam conectados e, na verdade, estão em dois lugares completamente diferentes.
Neste último trabalho, a equipe realizou a primeira demonstração experimental de troca de emaranhamento e teletransporte para estados de momento angular orbital (OAM). Eles mostraram que as correlações quânticas podem ser estabelecidas entre fótons anteriormente independentes, e que isso poderia ser usado para enviar informações por meio de um link virtual. Mais importante, o esquema é escalonável para dimensões superiores, pavimentando o caminho para a comunicação quântica de longa distância com alta capacidade de informação.
Esquema do experimento. Quatro fótons são criados, um par de cada fonte de emaranhamento (BBO). Um de cada par (B e C) são reunidos em um divisor de feixe. Quando todos os quatro fótons são medidos juntos, descobre-se que os fótons A e D, que anteriormente era independente, agora estão emaranhados. Crédito:Wits University
Fundo
Os sistemas de comunicação atuais são muito rápidos, mas não fundamentalmente seguro. Para torná-los seguros, os pesquisadores usam as leis da Natureza para a codificação, explorando as propriedades peculiares do mundo quântico. Uma dessas propriedades é o emaranhamento. Quando duas partículas estão emaranhadas, elas são conectadas em um sentido fantasmagórico:uma medição em uma muda imediatamente o estado da outra, não importa a distância entre elas. O emaranhamento é um dos principais recursos necessários para realizar uma rede quântica.
No entanto, um link de comunicação quântica seguro em longa distância é muito desafiador:links quânticos que usam padrões de luz definem em distâncias curtas precisamente porque não há maneira de proteger o link contra ruído sem detectar os fótons, ainda assim, uma vez que eles são detectados, sua utilidade é destruída. Para superar isso, pode-se ter uma estação repetitiva em distâncias intermediárias - isso permite compartilhar informações por uma distância muito maior sem a necessidade de que as informações fluam fisicamente por esse link. O ingrediente principal é fazer com que fótons independentes fiquem emaranhados. Embora isso tenha sido demonstrado anteriormente com estados bidimensionais, neste trabalho a equipe fez a primeira demonstração com OAM e em espaços de alta dimensão.
