Como um novo nomeado conjunto no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, Eden Figueroa está se acostumando a alternar entre suas funções na Iniciativa de Ciência da Computação (CSI) do Laboratório e na Divisão de Instrumentação, enquanto supervisiona o grupo de Tecnologia da Informação Quântica como professor titular da Stony Brook University. Para a maioria, trabalhar em tantos lugares ao mesmo tempo pode ser estressante e desconcertante. Contudo, para Figueroa, que tem um fascínio de longa data pela mecânica quântica, navegar em conexões complicadas serve para inspirar as redes quânticas que estão sendo configuradas e testadas por sua equipe.

Fora do frio

Figueroa iniciou sua jornada no México como físico e experimentalista, cujo interesse em mecânica quântica o levou à Universidade de Konstanz (Alemanha) e ao Instituto de Ciência da Informação Quântica da Universidade de Calgary (Canadá) para estudar sob a A.I. Lvovsky. Enquanto fazia seu doutorado, Figueroa começou a construir memórias quânticas, células de vidro preenchidas com átomos que são estimuladas por lasers para controlar os estados atômicos dentro delas ou, como ele disse, "para fazer os fótons falarem e contar seus segredos aos átomos."

"Construir memórias quânticas forneceu um aspecto de controle da natureza nos níveis mais fundamentais - fótons sendo luz e partículas representando matéria, "Figueroa explicou." Isso era engenharia quântica em um nível mais fundamental. "

Um dos aspectos mais característicos da operação de hardware quântico é a necessidade de mantê-lo frio - muito frio; 2 K (-456 ° F) frio. O frio mantém as partículas o mais estacionárias possível, permitindo que as medições sejam feitas. Figueroa percebeu que trabalhar nessas temperaturas superfrias era uma limitação. Quando ele perguntou a seu professor se uma memória quântica poderia operar em temperatura ambiente, foi-lhe dito:"Acho que não, mas prove que estou errado. "Esse comando foi o ímpeto para Figueroa passar quase três anos trabalhando em vários protótipos até ajudar a criar uma memória quântica operável à temperatura ambiente, que desde então foi expandido para integrado, memórias portáteis do tamanho de uma caixa de sapatos que desempenham um papel central em como sua equipe está construindo uma rede quântica.

"Beam Me Up"

Como uma definição básica, uma rede quântica transfere bits de dados quânticos, ou qubits, em distâncias usando fibras de telecomunicações padrão. Contudo, ao contrário da troca usual de 0 e 1 bits, esta transferência de dados é baseada nas leis da mecânica quântica. No nível subatômico (quântico), as partículas podem se comportar de maneira muito diferente do que em estados comumente compreendidos pela física clássica - mesmo existindo em dois lugares ao mesmo tempo. Este "emaranhamento quântico" onde as partículas compartilham propriedades apesar de serem separadas pela distância é uma parte elementar dos experimentos de rede quântica em andamento no Laboratório de Brookhaven, Stony Brook University, e (em breve) Yale University.

"As partículas do mundo emaranhado da mecânica quântica compartilham coisas, mesmo que estejam a milhares de quilômetros de distância, "Figueroa disse." Se você viu Star Trek, é como quando Kirk liga, 'Beam me up.' Podemos usar o emaranhamento quântico para teletransportar informações de uma área para outra a uma velocidade que não pode ser igualada nos sistemas clássicos. "

Para testar esse esforço, Figueroa e outros cientistas do laboratório inicialmente empregaram linhas de fibra de comunicação existentes, medindo cerca de dois quilômetros (km), ou um pouco mais de uma milha, entre edifícios no campus do Laboratório Brookhaven para construir uma pequena rede quântica que compartilha o emaranhamento. Notavelmente, este trabalho em andamento reúne todas as conexões de pesquisa de Figueroa. CSI gerencia os aspectos de computação quântica da rede, bem como projeta as redes e links, enquanto o grupo de Instrumentação de Brookhaven fornece os fótons de emaranhamento e outras infraestruturas e recursos experimentais. Alguns dos componentes de detecção do testbed foram desenvolvidos no Departamento de Física do Laboratório. O laboratório de Figueroa na Stony Brook University fornece a memória quântica que processa as informações. Um "gêmeo" direto desse laboratório também está sendo construído no prédio de Instrumentação em Brookhaven. O objetivo é ter uma rede quântica operacional dentro de alguns anos.

Em outro experimento de emaranhamento quântico, Figueroa e sua equipe vão "transmitir fótons para o espaço livre, "basicamente de um telescópio para outro em sua linha direta. Figueroa explica que este trabalho em andamento será um elemento fundamental na mudança em direção a uma rede quântica mais expansiva.

“Se pudermos demonstrar que funciona em dois experimentos com mais de 20 km, podemos colocar mais conexões, "ele disse." Agora mesmo, queremos construir uma rede entre Brookhaven, Stony Brook, e então para Yale e criar links de um campus para outro até que estejamos ativamente compartilhando fótons entre os três campi. Talvez daqui a cinco anos, podemos dimensionar o sistema que usamos e colocar mais conexões para cobrir o estado de Nova York, Connecticut, toda a região Nordeste. "

Figueroa também deu crédito ao recém-lançado centro de Sistemas Quantum do Nordeste, conhecido como NEQsys, para facilitar a conexão com a Universidade de Yale, observando que o Brookhaven Lab forneceu um nexo regional para pesquisadores com interesses comuns em ciência da informação quântica (QIS) que de outra forma poderia não existir.

"A conexão entre Brookhaven e Stony Brook é uma espécie de casamento natural, "ele explicou." No entanto, NEQsys fornece uma bela conexão para pesquisa em, por exemplo, Yale e MIT com quem eu não teria necessariamente interagido. Agora, com Yale, estamos conectados e iniciando uma expansão de nossas pesquisas. Isso não seria possível sem NEQsys. "

Porque agora? Por que não?

Figueroa reconheceu serendipidade no momento desses esforços. Ele viu um aumento no interesse em quantum de entidades como o DOE e observou que a liderança do Brookhaven Lab e da Stony Brook University tem oferecido instalações e oportunidades para lançar os experimentos fundamentais necessários para ampliar a pesquisa de QIS.

"Encontramos o desafio:primeiro, construir memória quântica à temperatura ambiente. Agora, podemos construí-lo, "ele explicou." Agora, temos laboratórios funcionando em diferentes lugares para lançar uma rede quântica. Essas ideias só avançam quando você está disposto a colocar recursos na solução do problema. As abordagens realmente convergiram em Brookhaven. Kerstin [Kleese van Dam, Diretor CSI], Dimitri [Katramatos, Cientista CSI], Gabriella [Carini, Instrumentação, Chefe de Divisão Adjunto], e Andrei [Nomerotski, Físico], todos têm apoiado, obtendo o que precisamos para criar essa infraestrutura quântica. "

Majoritariamente, Figueroa está animado e impressionado com o nível de comprometimento que vê de todos os envolvidos à medida que os experimentos crescem. As etapas técnicas e escalonamento exigem o poder do cérebro de cientistas líderes, engenheiros de tecnologia da informação, estudantes de graduação, e mais. Figueroa acrescentou que a crescente atenção sobre o QIS também está gerando um maior interesse entre os alunos.

"Eles sabem que na pesquisa quântica, há algumas coisas acontecendo que nunca foram feitas, e eles podem ver o hardware, a infraestrutura, e bolsas de pesquisa. É muito poderoso, e as condições são adequadas. Para estudantes, é mágico, " ele disse.

Treinar a próxima geração é outro ingrediente no plano para ampliar o QIS, especialmente em Nova York. De acordo com Figueroa, A Stony Brook University começará a oferecer cursos no outono de 2019 para um programa de mestrado com ênfase em QIS. Os cursos oferecerão imersão em tecnologia quântica para engenheiros ou cientistas que ele espera alimentar startups em tecnologia quântica. Ao incluir o Brookhaven Lab como parceiro de recursos, Figueroa prevê "fortalecer um programa quântico centrado em Long-Island".

Figueroa reconheceu prontamente que há uma corrida competitiva completa para ser o primeiro no mundo a hospedar uma rede quântica escalável que compartilha o emaranhamento. Já, A China tem uma liderança de quase 10 anos em seus investimentos quânticos, com a Europa não muito atrás. Ainda, com muitos desafios restantes para desbloquear uma rede quântica em funcionamento, Figueroa exala otimismo ao observar o panorama da pesquisa.

"Por que não serem os únicos a fazer isso?" ele perguntou. “Podemos estar liderando essa área. É o momento certo para fazer isso. Se fizermos acontecer, seria uma história principal em O jornal New York Times . Seria uma mudança de jogo para a comunidade. Estou animado com isso. Podemos fazer algo lindo. "