O sinal de entrada (vermelho, inferior esquerdo) prossegue através de um divisor de feixe para o detector de fótons, que tem um registro de tempo anexado (canto superior direito). O receptor envia o feixe de referência ao divisor de feixe para cancelar o pulso de entrada de forma que nenhuma luz seja detectada. Se mesmo um fóton for detectado, isso significa que o receptor usou um feixe de referência incorreto, que precisa ser ajustado. O receptor usa tempos exatos de detecção de fótons para chegar ao ajuste correto com menos suposições. A combinação de tempos de detecção registrados e o histórico de frequências de feixe de referência são usados para encontrar a frequência do sinal de entrada. Crédito:NIST
Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram e demonstraram um sistema que pode aumentar drasticamente o desempenho das redes de comunicação, permitindo taxas de erro recordes na detecção até mesmo dos sinais mais fracos, potencialmente diminuindo a quantidade total de energia necessária para redes de última geração por um fator de 10 a 100.
O sistema de prova de princípio consiste em um novo receptor e uma técnica de processamento de sinal correspondente que, ao contrário dos métodos usados nas redes de hoje, são inteiramente baseados nas propriedades da física quântica e, portanto, capazes de lidar até mesmo com sinais extremamente fracos com pulsos que transportam muitos bits de dados.
"Construímos a bancada de teste de comunicação usando componentes de prateleira para demonstrar que a comunicação habilitada para medição quântica pode ser potencialmente ampliada para uso comercial generalizado, "disse Ivan Burenkov, um físico do Joint Quantum Institute, uma parceria de pesquisa entre o NIST e a Universidade de Maryland. Burenkov e seus colegas relatam os resultados em Revisão Física X Quantum . "Nosso esforço mostra que as medições quânticas são valiosas, vantagens até agora imprevisíveis para telecomunicações, levando a melhorias revolucionárias na largura de banda do canal e na eficiência energética. "
Os sistemas de comunicação modernos funcionam convertendo informações em um fluxo de pulsos de luz digital gerado por laser, no qual as informações são codificadas - na forma de alterações nas propriedades das ondas de luz - para transferência e depois decodificadas quando chegam ao receptor. O trem de pulsos fica mais fraco à medida que viaja ao longo dos canais de transmissão, e a tecnologia eletrônica convencional para receber e decodificar dados atingiu o limite de sua capacidade de detectar com precisão a informação em tais sinais atenuados.
O pulso de sinal pode diminuir até ficar tão fraco quanto alguns fótons - ou até menos de um, em média. Nesse ponto, inevitáveis flutuações quânticas aleatórias chamadas de "ruído de disparo" tornam a recepção precisa impossível pelo normal ("clássico, "em oposição à tecnologia quântica, porque a incerteza causada pelo ruído constitui uma grande parte do sinal diminuído. Como resultado, os sistemas existentes devem amplificar os sinais repetidamente ao longo da linha de transmissão, a um custo considerável de energia, mantendo-os fortes o suficiente para serem detectados de forma confiável.
O sistema da equipe do NIST pode eliminar a necessidade de amplificadores porque pode processar com segurança até mesmo pulsos de sinal extremamente fracos:"A energia total necessária para transmitir um bit torna-se um fator fundamental que impede o desenvolvimento de redes, "disse Sergey Polyakov, cientista sênior da equipe do NIST. “O objetivo é reduzir a soma de energia exigida pelos lasers, amplificadores, detectores, e equipamento de suporte para transmitir informações de forma confiável por distâncias mais longas. Em nosso trabalho aqui, demonstramos que, com a ajuda da medição quântica, até mesmo leves pulsos de laser podem ser usados para comunicar vários bits de informação - um passo necessário em direção a esse objetivo. "
Para aumentar a taxa de transmissão das informações, pesquisadores de rede estão encontrando maneiras de codificar mais informações por pulso usando propriedades adicionais da onda de luz. Então, um único pulso de luz laser, dependendo de como foi originalmente preparado para transmissão, pode transportar vários bits de dados. Para melhorar a precisão da detecção, receptores aprimorados quânticos podem ser encaixados em sistemas de rede clássicos. A data, essas combinações híbridas podem processar até dois bits por pulso. O sistema quântico NIST usa até 16 pulsos de laser distintos para codificar até quatro bits.
Para demonstrar essa capacidade, os pesquisadores do NIST criaram uma entrada de pulsos de laser fracos comparáveis a um sinal de rede convencional substancialmente atenuado, com o número médio de fótons por pulso de 0,5 a 20 (embora os fótons sejam partículas inteiras, um número menor que um significa simplesmente que alguns pulsos não contêm fótons).
Depois de preparar este sinal de entrada, os pesquisadores do NIST tiram proveito de suas propriedades ondulatórias, como interferência, até que finalmente atinge o detector como fótons (partículas). No reino da física quântica, a luz pode atuar como partículas (fótons) ou ondas, com propriedades como frequência e fase (as posições relativas dos picos das ondas).
Dentro do receptor, o trem de pulso do sinal de entrada combina (interfere) com um feixe de laser de referência ajustável, que controla a frequência e a fase do fluxo de luz combinado. É extremamente difícil ler os diferentes estados codificados em um sinal tão fraco. Portanto, o sistema NIST é projetado para medir as propriedades de todo o pulso do sinal, tentando combinar as propriedades do laser de referência com ele exatamente. Os pesquisadores conseguem isso por meio de uma série de medições sucessivas do sinal, cada um dos quais aumenta a probabilidade de uma correspondência precisa.
Isso é feito ajustando a frequência e a fase do pulso de referência para que interfira destrutivamente com o sinal quando eles são combinados no divisor de feixe, cancelando o sinal completamente para que nenhum fóton possa ser detectado. Neste esquema, o ruído do tiro não é um fator:o cancelamento total não tem incerteza.
Assim, contra-intuitivamente, uma medição perfeitamente precisa resulta em nenhum fóton atingindo o detector. Se o pulso de referência tiver a frequência errada, um fóton pode alcançar o detector. O receptor usa o tempo de detecção do fóton para prever a frequência de sinal mais provável e ajusta a frequência do pulso de referência de acordo. Se essa previsão ainda estiver incorreta, o tempo de detecção do próximo fóton resulta em uma previsão mais precisa com base em ambos os tempos de detecção de fóton, e assim por diante.
"Uma vez que o sinal interage com o feixe de referência, a probabilidade de detectar um fóton varia com o tempo, "Burenkov disse, "e, conseqüentemente, os tempos de detecção de fótons contêm informações sobre o estado de entrada. Usamos essas informações para maximizar a chance de adivinhar corretamente após a detecção do primeiro fóton.
"Nosso protocolo de comunicação é projetado para fornecer perfis temporais diferentes para combinações diferentes de sinal e luz de referência. Então, o tempo de detecção pode ser usado para distinguir entre os estados de entrada com alguma certeza. A certeza pode ser bastante baixa no início, mas é melhorado ao longo da medição. Queremos mudar o pulso de referência para o estado correto após a detecção do primeiro fóton porque o sinal contém apenas alguns fótons, e quanto mais medimos o sinal com a referência correta, melhor será a nossa confiança no resultado. "
Polyakov discutiu as possíveis aplicações. "O futuro crescimento exponencial da Internet exigirá uma mudança de paradigma na tecnologia por trás das comunicações, "ele disse." A medição quântica pode se tornar essa nova tecnologia. Demonstramos taxas de erro baixas de registro com um novo receptor quântico emparelhado com o protocolo de codificação ideal. Nossa abordagem poderia reduzir significativamente a energia para telecomunicações. "
