Físicos da LMU, junto com colegas da Universidade Saarland, demonstraram com sucesso o transporte de um estado emaranhado entre um átomo e um fóton por meio de uma fibra óptica a uma distância de até 20 km - estabelecendo assim um novo recorde.

O emaranhamento descreve um tipo muito particular de estado quântico que não é atribuído a uma única partícula sozinha, mas que é compartilhado entre duas partículas diferentes. Ele liga irrevogavelmente seus destinos subsequentes - não importa o quão distantes eles estejam - o que levou Albert Einstein a chamar o fenômeno de "ação fantasmagórica à distância". O emaranhamento se tornou a pedra angular de novas tecnologias baseadas em efeitos no nível quântico e é a distribuição por longas distâncias um objetivo central na comunicação quântica. Agora, pesquisadores do LMU liderados pelo físico Harald Weinfurter, em colaboração com uma equipe da Universidade de Saarland em Saarbrücken, mostraram que o estado emaranhado de um átomo e um fóton pode ser transmitido por meio de uma fibra óptica (como as usadas em redes de telecomunicações) a uma distância de até 20 km. O recorde anterior era de 700 metros. "O experimento representa um marco, na medida em que a distância percorrida confirma que as informações quânticas podem ser distribuídas em grande escala com pouca perda, "diz Weinfurter." Nosso trabalho, portanto, constitui um passo crucial em direção à realização futura de redes quânticas. "

Redes quânticas consistem essencialmente em memórias quânticas (compostas por um ou mais átomos, por exemplo) que atuam como nós, e canais de comunicação nos quais os fótons (quanta de luz) podem se propagar para ligar os nós. Em seu experimento, os pesquisadores entrelaçaram um átomo de rubídio com um fóton, e foram capazes de detectar o estado emaranhado - que agora compartilha as propriedades quânticas de ambas as partículas - após sua passagem por uma bobina de fibra óptica de 20 km.

O maior problema que os experimentadores enfrentaram começou com as propriedades do átomo de rubídio. Seguindo a excitação direcionada, esses átomos emitem fótons com comprimento de onda de 780 nanômetros, na região do infravermelho próximo do espectro. “Em uma fibra ótica de vidro, a luz neste comprimento de onda é rapidamente absorvida, "Weinfurter explica. Redes de telecomunicações convencionais, portanto, fazem uso de comprimentos de onda em torno de 1550 nanômetros, o que reduz significativamente as perdas em trânsito.

Obviamente, esse comprimento de onda também aumentaria as chances de sucesso dos experimentadores. Então Matthias Bock, um membro do grupo em Saarbrücken, construiu o que é chamado de conversor de frequência quântica que foi projetado especificamente para aumentar o comprimento de onda dos fótons emitidos de 780 para 1520 nanômetros. Essa tarefa em si apresentou uma série de desafios técnicos extremamente exigentes. Pois era imperativo garantir que a conversão de apenas um único fóton para apenas um outro fóton acontecesse e que nenhuma das outras propriedades do estado emaranhado, especialmente a polarização do fóton, foram alterados durante o processo de conversão. De outra forma, o estado emaranhado seria perdido. "Graças ao uso deste conversor altamente eficiente, fomos capazes de manter o estado emaranhado em um intervalo muito maior em comprimentos de onda de telecomunicações, e, portanto, para transportar a informação quântica que transporta por longas distâncias, "diz Weinfurter.

Na próxima etapa, os pesquisadores planejam converter a frequência da luz emitida por um segundo átomo, que deve permitir que eles gerem emaranhamento entre os dois átomos em longas fibras de telecomunicações. As propriedades dos cabos de fibra de vidro variam dependendo de fatores como a temperatura e a tensão a que estão expostos. Por esta razão, a equipe pretende primeiro realizar este experimento sob condições controladas no laboratório. Em caso de sucesso, experimentos de campo serão realizados também adicionando novos nós a uma rede em crescimento. Afinal, mesmo as viagens longas podem ser completamente bem-sucedidas, dando um passo de cada vez.