Uma internet quântica poderia ser usada para enviar mensagens intratáveis, melhorar a precisão do GPS, e habilitar a computação quântica baseada em nuvem. Por mais de vinte anos, sonhos de criar tal rede quântica permaneceram fora de alcance em grande parte por causa da dificuldade de enviar sinais quânticos através de grandes distâncias sem perdas.

Agora, Os pesquisadores de Harvard e do MIT encontraram uma maneira de corrigir a perda de sinal com um protótipo de nó quântico que pode capturar, armazenar e emaranhar bits de informação quântica. A pesquisa é o elo que faltava para uma internet quântica prática e um grande passo à frente no desenvolvimento de redes quânticas de longa distância.

"Esta demonstração é um avanço conceitual que poderia estender o maior alcance possível de redes quânticas e potencialmente permitir muitas novas aplicações de uma maneira que é impossível com qualquer tecnologia existente, "disse Mikhail Lukin, o professor de física George Vasmer Leverett e co-diretor da Harvard Quantum Initiative. "Esta é a realização de um objetivo que tem sido perseguido por nossa comunidade de ciência quântica e engenharia por mais de duas décadas."

A pesquisa é publicada em Natureza .

Todas as formas de tecnologia de comunicação - desde o primeiro telégrafo até a atual internet de fibra óptica - tiveram que lidar com o fato de que os sinais se degradam e são perdidos quando transmitidos a distâncias. Os primeiros repetidores, que recebem e amplificam sinais para corrigir essa perda, foram desenvolvidos para amplificar sinais de telégrafo de fio desbotado em meados do século XIX. Duzentos anos depois, Repetidores são parte integrante de nossa infraestrutura de comunicações de longa distância.

Em uma rede clássica, se Alice em Nova York quiser enviar uma mensagem para Bob na Califórnia, a mensagem viaja de costa a costa mais ou menos em linha reta. Pelo caminho, o sinal passa por repetidores, onde é lido, amplificado e corrigido para erros. Todo o processo está em qualquer ponto vulnerável a ataques.

Se Alice quiser enviar uma mensagem quântica, Contudo, o processo é diferente. As redes quânticas usam partículas quânticas de luz - fótons individuais - para comunicar estados quânticos de luz a longas distâncias. Essas redes têm um truque que os sistemas clássicos não têm:emaranhamento.

O entrelaçamento - o que Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância" - permite que bits de informação sejam perfeitamente correlacionados a qualquer distância. Porque os sistemas quânticos não podem ser observados sem mudança, Alice poderia usar o emaranhamento para enviar mensagens a Bob sem medo de bisbilhoteiros. Essa noção é a base para aplicações como a criptografia quântica - segurança garantida pelas leis da física quântica.

Comunicação quântica em longas distâncias, Contudo, também é afetado por perdas convencionais de fótons, que é um dos maiores obstáculos para a realização da internet quântica em grande escala. Mas, o mesmo princípio físico que torna a comunicação quântica ultra-segura também torna impossível o uso existente, repetidores clássicos para corrigir a perda de informações.

Como você pode amplificar e corrigir um sinal se não consegue lê-lo? A solução para essa tarefa aparentemente impossível envolve um chamado repetidor quântico. Ao contrário de repetidores clássicos, que amplificam um sinal através de uma rede existente, Os repetidores quânticos criam uma rede de partículas emaranhadas por meio das quais uma mensagem pode ser transmitida.

Em essência, um repetidor quântico é um pequeno, computador quântico para fins especiais. Em cada estágio dessa rede, Os repetidores quânticos devem ser capazes de capturar e processar bits quânticos de informações quânticas para corrigir erros e armazená-los por tempo suficiente para que o restante da rede esteja pronto. Até agora, isso tem sido impossível por dois motivos:primeiro, fótons únicos são muito difíceis de capturar. Segundo, informação quântica é notoriamente frágil, tornando muito difícil processar e armazenar por longos períodos de tempo.

Laboratório de Lukin, em colaboração com Marko Loncar, o Tiantsai Lin Professor de Engenharia Elétrica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS),

Parque Hongkun, Mark Hyman Jr. Professor de Química na Faculdade de Artes e Ciências de Harvard (FAS), e Dirk Englund, Professor Associado de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação no Massachusetts Institute of Technology (MIT), tem trabalhado para aproveitar um sistema que pode desempenhar bem essas duas tarefas - centros de cores com vacância de silício em diamantes.

Esses centros são pequenos defeitos na estrutura atômica de um diamante que pode absorver e irradiar luz, dando origem às cores brilhantes de um diamante.

"Nos últimos anos, nossos laboratórios têm trabalhado para entender e controlar centros de cores com vacância de silício individuais, particularmente em torno de como usá-los como dispositivos de memória quântica para fótons individuais, "disse Mihir Bhaskar, um estudante de pós-graduação no grupo Lukin.

Os pesquisadores integraram um centro de cor individual em uma cavidade de diamante nanofabricada, que confina os fótons portadores de informações e os força a interagir com o único centro de cor. Eles então colocaram o dispositivo em uma geladeira de diluição, que atinge temperaturas próximas do zero absoluto, e enviar fótons individuais através de cabos de fibra óptica para a geladeira, onde eles foram capturados com eficiência e presos pelo centro da cor.

O dispositivo pode armazenar as informações quânticas por milissegundos - tempo suficiente para que as informações sejam transportadas por milhares de quilômetros. Eletrodos embutidos ao redor da cavidade foram usados ​​para fornecer sinais de controle para processar e preservar as informações armazenadas na memória.

"Este dispositivo combina os três elementos mais importantes de um repetidor quântico - uma memória longa, a capacidade de capturar informações de fótons com eficiência, e uma maneira de processá-lo localmente, "disse Bart Machielse, Aluno de pós-graduação no Laboratório de Óptica em Nanoescala. "Cada um desses desafios foi tratado separadamente, mas nenhum dispositivo combinou os três."

"Atualmente, estamos trabalhando para estender essa pesquisa, implantando nossas memórias quânticas em real, links urbanos de fibra ótica, "disse Ralf Riedinger, um candidato a pós-doutorado no grupo Lukin. "Planejamos criar grandes redes de memórias quânticas emaranhadas e explorar as primeiras aplicações da internet quântica."

"Esta é a primeira demonstração em nível de sistema, combinando os principais avanços na nanofabricação, fotônica e controle quântico, que mostra vantagem quântica clara para comunicar informações usando nós repetidores quânticos. Estamos ansiosos para começar a explorar novos, aplicativos exclusivos que usam essas técnicas, "disse Lukin.