À medida que o número de hacks e violações de segurança aumenta rapidamente, os cientistas dizem que pode haver uma maneira de fazer uma rede verdadeiramente intransponível usando as leis da física quântica.

Para explorar o conceito, cientistas estão criando uma rede na área de Chicago que utiliza os princípios da física quântica para enviar informações. Esse link pode um dia formar a base para uma rede verdadeiramente segura, que teria amplo impacto nas comunicações, informática e segurança nacional. O governo federal estima que a atividade cibernética maliciosa custou à economia dos EUA entre US $ 57 bilhões e US $ 109 bilhões em 2016.

A rede quântica, apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), vai se estender entre o Laboratório Nacional de Argonne do DOE e o Laboratório Nacional de Aceleração de Fermi, uma conexão que deve estar entre as mais longas do mundo para enviar informações seguras usando a física quântica. O experimento irá "teletransportar" informações por uma distância de 30 milhas, já que as partículas mudam seus estados quânticos instantaneamente, em vez de viajar entre dois pontos.

“Este projeto dá início à construção de uma rede de comunicações baseada nos estados quânticos da matéria, oferecendo uma maneira fundamentalmente nova de criar e enviar informações com segurança, "disse David Awschalom, um cientista Argonne e professor de Engenharia Molecular da Família Liew na Universidade de Chicago, quem é o investigador principal do projeto. "Vamos construir um teste nacional para desenvolver a ciência para sistemas quânticos de engenharia e explorar as propriedades do emaranhamento quântico, um fenômeno que fascina os cientistas e o público em geral. "

Como resultado de um foco crescente na pesquisa quântica entre os cientistas de Argonne, Fermilab e UChicago, as três instituições formaram uma parceria, o Chicago Quantum Exchange, envolvendo 70 cientistas e engenheiros e reunindo os talentos intelectuais, capacidades de pesquisa e poder de engenharia das três instituições afiliadas.

"Esta é a primeira vez que alguém planeja realizar uma rede quântica como esta:uma rede permanente, rede de teletransporte quântico em funcionamento a longas distâncias nos Estados Unidos, "disse o vice-diretor e diretor de pesquisa do Fermilab, Joe Lykken." Queremos demonstrar a capacitação da tecnologia quântica. E queremos capitalizar nossa experiência para preparar o caminho para que outros criem suas próprias redes. Décadas atrás, construir algo assim teria sido apenas um sonho. Mas estamos fazendo isso agora, e logo outros poderão fazê-lo. "

'As estranhas leis do quantum'

A nova rede de comunicações explora as estranhas leis da mecânica quântica, que governam as interações das menores partículas.

Parte do interesse no desenvolvimento de sistemas quânticos decorre de uma regra da mecânica quântica que afirma que medir uma partícula quântica altera seu estado. Os cientistas acreditam que um sistema quântico pode ser virtualmente inalterável porque, se alguém tentar olhar para uma transmissão, seria perturbado, a informação destruída, e os remetentes alertados.

Os sistemas quânticos que estão sendo desenvolvidos no Fermilab e Argonne irão eventualmente tocar em um link subterrâneo construído pela primeira vez na década de 1980 para testar a transferência de dados. Os cabos de fibra óptica ainda estão intactos e funcionais, cientistas disseram.

A forma como a rede quântica funciona é "enredando" as partículas, outra peculiaridade da mecânica quântica que diz que você pode ligar duas (ou mais) partículas para que fiquem em um estado compartilhado - e tudo o que acontece com uma afeta a outra, mesmo que estejam a quilômetros de distância no momento.

Assim, se os cientistas compartilham um par de partículas emaranhadas entre dois locais, a informação quântica pode ser transmitida, mesmo que os locais sejam distantes e não haja uma conexão física entre eles. Enquanto a informação quântica foi "teletransportada, "nenhum objeto está sendo transportado.

Até aqui, sistemas como esses foram testados em laboratórios e em pequena escala. Mesmo alguns quilômetros de distância têm sido um desafio, uma vez que as partículas emaranhadas não devem interagir de forma alguma com seu ambiente, e os cientistas devem superar qualquer perda de fótons emitidos pelas partículas e coordenar com precisão o tempo de suas transmissões.

"Realizar o teletransporte de informações através de distâncias do mundo real, a muitos quilômetros de distância, nos permite identificar problemas práticos envolvidos na operação de uma rede quântica - quais são os desafios tecnológicos, quão segura é a comunicação, e quais são os limites para transportar informações dessa maneira, "Awschalom disse.

"Testbeds quânticos de escala semelhante existem em todo o mundo. Mas a maioria deles depende de fótons emaranhados - partículas de luz - para teletransportar informações. Nosso banco de testes é único nisso, pela primeira vez, empurramos para uma arquitetura totalmente de estado sólido, onde partículas quânticas aprisionadas em sólidos são usadas como transportadores de informação, "disse Tian Zhong, professor assistente de engenharia molecular na Universidade de Chicago e cientista em Argonne, que é co-investigador principal do projeto.

No Fermilab, Shang-Yi Ch'en, professor de física da Caltech Maria Spiropulu, está atualmente construindo uma rede quântica local com os parceiros AT&T e Jet Propulsion Laboratory. Eles começaram esse esforço em 2017, e um ano depois, Spiropulu e sua equipe implantaram a rede dentro do Fermilab e estão trabalhando no desenvolvimento de dispositivos aprimorados para distribuição de emaranhamento de longa distância. O objetivo deles é, eventualmente, estender essa rede para fazer parte do link maior Fermilab-Argonne.

"Dispositivos quânticos de rede são importantes para dimensionar a computação quântica e arquitetar sistemas de comunicação híbridos em direção a uma internet aprimorada quântica, "Spiropulu disse." Será necessária uma colaboração deliberada entre os laboratórios de pesquisa do governo, academia, indústria e fundações para chegar lá. O programa Chicago Quantum Exchange irá catalisar o progresso em todas essas áreas. "

De 8 a 9 de novembro, cientistas de Argonne, Fermilab e UChicago vão se reunir com a indústria, líderes acadêmicos e governamentais no campo para o Chicago Quantum Summit, um programa que explora o futuro da computação quântica e da ciência da informação.

Um evento público na cidade de Chicago intitulado "Quantum Engineering:the Next Technical Arms Race, "apresentando uma conversa entre Awschalom e Hartmut Neven, diretor do Google Quantum Artificial Intelligence Lab, será realizada como parte da cúpula.

O trabalho de desenvolvimento da rede quântica Argonne-Fermilab é apoiado pelo DOE Office of Science.