Formas tradicionais de produzir emaranhados, necessário para o desenvolvimento de qualquer 'internet quântica' conectando computadores quânticos, não são muito adequados para redes de telecomunicações de fibra óptica usadas pela internet não quântica de hoje. Contudo, os pesquisadores descobriram uma nova maneira de produzir essas partículas que é muito mais compatível.

Na rede de telecomunicações de hoje, conectado por cabo de fibra ótica, os fótons transmitidos tendem a ser absorvidos em poucos quilômetros pelo material de que o cabo é feito. Para evitar a deterioração do sinal, repetidores são estabelecidos em intervalos regulares para amplificá-lo.

Problemas semelhantes irão atormentar os esforços em direção às comunicações quânticas - e, em última instância, uma internet quântica. Tomoyuki Horikiri e colegas da Universidade Nacional de Yokohama estão lidando com esse problema desenvolvendo uma nova fonte de fótons emaranhados.

Suas descobertas foram publicadas em 12 de agosto em Física das Comunicações .

Um par de partículas, ou qubits, torna-se emaranhado quando o estado quântico de cada um deles está inescapavelmente conectado ao estado quântico da outra partícula. Portanto, uma medição realizada em um qubit sempre será correlacionada a uma medição no outro qubit, independentemente da distância.

Este emaranhado, famosamente descrito nas explicações da ciência popular como 'ação assustadora à distância, 'é a chave para qualquer infraestrutura de comunicação quântica do futuro.

Explorando esse fenômeno assustador, os pesquisadores podem usar fótons emaranhados para transferir informações entre dois locais. O emissor tem metade dos fótons emaranhados e o receptor a outra metade. Os dois usuários, por exemplo, pode estabelecer uma sequência de bits secretos aleatórios para criptografia pelo emaranhamento compartilhado.

Mas a comunicação quântica de longa distância também sofre com perdas de fibra óptica, com fótons emaranhados se desemaranhando devido à interação com seus arredores, e repetidores quânticos, onde as memórias quânticas são carregadas, seria necessário para prolongar a distância da comunicação quântica. O repetidor armazena o estado quântico dos fótons enviados pelos usuários. Uma troca de emaranhamento, 'realizada por uma medição dos fótons, propaga efetivamente o emaranhamento por distâncias muito maiores - como corredores entregando cassetetes em uma corrida de revezamento.

Um repetidor quântico funciona por meio de uma troca repetida de estados quânticos entre a luz e a matéria. Isso requer uma fonte de partículas emaranhadas que seja compatível com a memória quântica. Infelizmente, a memória quântica geralmente absorve uma largura estreita do espectro de um feixe de luz (conhecido como largura de linha), mas as fontes tradicionais de um par de fótons emaranhados quânticos têm um amplo espectro. Isso resulta em um acoplamento muito pobre entre um par de fótons emaranhados e a memória quântica.

Até aqui, esforços para desenvolver fontes de fótons emaranhados têm lutado para atender a todos os requisitos de compatibilidade de memória quântica-repetidora e aplicação no mundo real:um grande número de fótons (para grandes quantidades de tráfego), largura de linha estreita, e alta fidelidade de emaranhamento.

Por décadas, a maneira mais comum de produzir partículas emaranhadas tem sido uma técnica chamada de conversão paramétrica espontânea, ou SPDC. Ele usa cristais para converter fótons únicos de alta energia em pares de fótons emaranhados com metade da energia original.

"Isso tem sido ótimo para experimentos de informação quântica, "disse Horikiri." Mas para comunicações quânticas de banda larga, SPDC não é muito compatível com as transições de energia muito estreitas envolvidas na produção da memória quântica necessária para repetidores quânticos. "

Os pesquisadores aprimoraram essa técnica colocando o cristal em uma cavidade óptica em forma de gravata borboleta, e foram capazes de propagar fótons emaranhados ao longo de dez quilômetros por meio de fibra óptica, repetido uma vez para uma distância total de 20 quilômetros.

Seguindo com esta prova de conceito para uma nova fonte de fótons emaranhados compatíveis com memória quântica que podem ser implantados através de cabo de fibra óptica com baixas perdas, os pesquisadores agora querem implantar sua técnica por meio de vários nós repetidores para distâncias muito maiores.