Pesquisadores do Laboratório Kastler Brossel em Paris conseguiram implementar um novo protocolo de troca de emaranhamento "híbrido", trazendo ao alcance a conexão de plataformas diferentes em um futuro, heterogeneamente estruturado, internet quântica.

Em 29 de maio ^º edição online de Avanços da Ciência , Prof. Julien Laurat e seus colegas da LKB (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France), com colaboradores no NIST Boulder, anunciaram um passo importante para o desenvolvimento de redes quânticas heterogêneas. A equipe demonstrou uma maneira de conectar diferentes tipos de nós quânticos que não são necessariamente baseados no mesmo tipo de codificação. Habilitar esse tipo de link é um requisito crucial para a interconexão de diferentes plataformas físicas que podem executar tarefas aprimoradas quânticas dedicadas.

As redes quânticas são compostas de sistemas quânticos localizados em nós distantes e conectados por meio de correlações não clássicas conhecidas como emaranhamento - a "ação fantasmagórica à distância". Acredita-se que eles superem as redes clássicas atuais em tarefas que variam de comunicação segura quântica a medições aprimoradas. Da mesma forma que as redes clássicas, onde as informações podem ser codificadas em duas codificações digitais ou analógicas distintas, dependendo das tarefas em mãos, redes quânticas podem contar com dois tipos de codificações, como exemplificado pela dualidade partícula-onda. Por um lado, lado um pode favorecer a natureza das partículas dos bits quânticos (ou qubits) em uma codificação semelhante à digital, e referido como "variável discreta." Por outro lado, pode-se preferir usar a "variável contínua, "semelhante a analógico, codificação que surge da natureza ondulante das partículas - uma consequência bem conhecida da mecânica quântica.

Em redes quânticas, a conexão de nós distantes é realizada por uma operação específica chamada troca de entrelaçamento. Este procedimento permite conectar sistemas que nunca interagiram antes, usando uma medição especializada entre dois outros recursos emaranhados separadamente com os sistemas envolvidos. Esta operação, conhecido como medição do estado de sino, efetivamente transfere - ou "teletransporta" - o emaranhamento para os sistemas finais. Contudo, por causa da fragilidade do emaranhamento, implementar um protocolo tão central para o estabelecimento de conexões quânticas é um verdadeiro desafio para os físicos. Para conseguir a transferência de emaranhamento e a conexão entre diferentes tipos de nós, dois estados altamente emaranhados precisam ser produzidos - em particular um estado "híbrido e emaranhado" entre qubits semelhantes a partículas e qubits semelhantes a ondas. A equipe do LKB se propagou com sucesso, a partir dessas duas fontes, enredamento entre diferentes estados de luz que nunca interagiram diretamente.

"Este trabalho é um trampolim para futuras investigações sobre a implementação de redes quânticas heterogêneas, "diz Tom Darras, um estudante de graduação na LKB e um dos principais autores do artigo. "Até aqui, duas comunidades estavam desenvolvendo comunicação quântica usando rotas diferentes. Agora que a ponte foi construída, esperamos ver, usando as vantagens de cada ramo, o surgimento de novos cenários híbridos indo muito além dos desenvolvimentos atuais. "

Os dois estados ópticos emaranhados envolvidos no experimento são projetados usando osciladores paramétricos ópticos, que são fontes não lineares eficientes. Um estado emaranhado é obtido pela "divisão" de um único fóton entre dois caminhos diferentes, sem saber qual caminho é seguido. O outro é um estado "entrelaçado híbrido" entre um qubit óptico de variável discreta e um qubit óptico de gato de Schrödinger variável contínua - referindo-se ao experimento Gekanden de Schrödinger acoplando um objeto macroscópico a um sistema quântico. Uma vez que o emaranhamento é gerado por meio de um processo de anúncio, ele é então trocado por meio de uma medição única híbrida do estado de sino. Os autores realizaram todas as etapas desta demonstração, desde a criação dos estados emaranhados iniciais até a caracterização completa do emaranhamento após a operação de troca.

"A experiência da equipe completa em emaranhamento de engenharia, acoplado a ferramentas de última geração para geração e caracterização de estados quânticos, foi fundamental para o sucesso do protocolo ", acrescenta Giovanni Guccione, uma bolsista de pós-doutorado da Marie Curie, que também é uma das principais autoras do estudo.

Além da criação de um vínculo entre usuários distintos, o experimento é um passo fundamental para a construção de redes escaláveis. "O emaranhamento é um recurso inerentemente frágil, o que significa que sua distribuição em distâncias maiores representa um desafio significativo", observa Adrien Cavaillès, bolsista de pós-doutorado e autor correspondente do artigo. "À medida que estende a gama acessível de distribuição, o protocolo de troca de emaranhamento executado pelo grupo é uma capacidade crucial para futuras redes quânticas híbridas em grande escala. "

O trabalho relatado em Avanços da Ciência é uma grande conquista para a interconexão de diferentes plataformas físicas. Contudo, os pesquisadores também enfatizam que "embora a capacidade de conectar nós quânticos de natureza diferente esteja agora disponível, a conexão está, por enquanto, limitada apenas a sistemas ópticos, e precisa ser estendido a muitas outras plataformas físicas. "Uma rede quântica heterogênea totalmente funcional ainda requer um progresso significativo na engenharia e na transferência de emaranhamento entre diferentes sistemas de matéria.

Esta demonstração se baseia nos avanços anteriores do grupo do Prof. Laurat nos últimos anos, da primeira demonstração de emaranhamento híbrido entre qubits semelhantes a partículas e ondas à engenharia de estados híbridos e seu uso em protocolos de informação quântica, seja para preparação de estado remoto ou certificação de segurança.

Os outros autores são Hanna Le Jeannic, um estudante de pós-graduação anterior na LKB, Varun B. Verma e Sae Woo Nam, colaboradores do NIST Boulder. Este trabalho foi apoiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa, a Agência Nacional de Pesquisa da França (projeto Hy-Light), Sorbonne Université e a Région Ile-de-France no âmbito do DIM Sirteq.

O título do artigo é "Conectando redes quânticas heterogêneas por troca de entrelaçamento híbrido". Ele está disponível no dia 29 de maio ^º edição online de Avanços da Ciência .