Pesquisadores da Sorbonne University em Paris conseguiram uma transferência altamente eficiente de emaranhamento quântico para dentro e para fora de dois dispositivos de memória quântica. Essa conquista traz um ingrediente chave para a escalabilidade de uma futura internet quântica.

Uma internet quântica que conecta vários locais é uma etapa fundamental nos roteiros de tecnologia quântica em todo o mundo. Nesse contexto, o European Quantum Flagship Program lançou a Quantum Internet Alliance em 2018. Este consórcio coordenado por Stephanie Wehner (QuTech-Delft) consiste em 12 grupos de pesquisa líderes em universidades de oito países europeus, em estreita cooperação com mais de 20 empresas e institutos. Eles combinaram seus recursos e áreas de especialização para desenvolver um projeto para uma futura Internet quântica e as tecnologias necessárias.

Uma internet quântica usa um fenômeno quântico intrigante para conectar diferentes nós em uma rede. Em uma conexão de rede normal, nós trocam informações enviando elétrons ou fótons para frente e para trás, tornando-os vulneráveis ​​à escuta. Em uma rede quântica, os nós são conectados por emaranhamento, A famosa "ação assustadora à distância" de Einstein. Essas correlações não clássicas em grandes distâncias permitiriam não apenas comunicações seguras além da transmissão direta, mas também computação quântica distribuída ou detecção aprimorada.

Contudo, um grande desafio na construção de redes quânticas em grande escala é a capacidade de gerar tais correlações entre nós distantes. Em princípio, esse desafio pode ser superado se o emaranhamento for armazenado de forma confiável em dispositivos de memória quântica. Ao dividir a longa distância em vários segmentos mais curtos, é possível criar emaranhamento entre as extremidades desses elos elementares, e então conecte-os até que ambos os nós iniciais estejam emaranhados. Os dispositivos de memória quântica armazenam o emaranhamento, garantindo que o emaranhamento foi criado em todos os segmentos antes de realizar as conexões. Este protocolo é conhecido como repetidor quântico.

Um parâmetro crítico é a eficiência dos dispositivos de memória quântica:se um dispositivo falhar na gravação ou recuperação da luz emaranhada, o repetidor quântico não pode funcionar corretamente. Por exemplo, um aumento na eficiência de armazenamento e recuperação de 60% para 90% diminui drasticamente o tempo médio para distribuição de emaranhamento em uma distância de 600 quilômetros, normalmente em duas ordens de magnitude. Um dos objetivos do consórcio QIA é estabelecer as bases para a tecnologia de repetidor quântico, construindo dispositivos de memória altamente eficientes para emaranhamento usando diferentes plataformas físicas.

Na edição online de outubro de 2020 de Optica , Prof. Julien Laurat e sua equipe no Laboratório Kastler Brossel (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France) relatou um passo há muito aguardado para este esforço. Eles demonstraram o armazenamento e recuperação de feixes de luz emaranhados em dois dispositivos de memória quântica, com uma eficiência geral de até 85%. Este valor constitui um aumento de mais de três vezes em relação a trabalhos anteriores no campo.

"Essa conquista é o resultado de 10 anos de desenvolvimentos experimentais em nosso laboratório. Agora abre o caminho para uma investigação mais aprofundada, já que muitas arquiteturas de rede potenciais assumem esse valor de eficiência para escalabilidade, "diz Félix Hoffet, um Ph.D. estudante do LKB e um dos principais autores do artigo.

O experimento de Paris envolveu um conjunto muito alongado de átomos de césio resfriados a laser e foi baseado no protocolo chamado transparência induzida eletromagneticamente. Um feixe de laser de controle torna o meio transparente e desacelera o sinal de luz que carrega as informações. Quando o sinal está contido no conjunto e o feixe de controle é desligado, a informação é convertida em uma excitação coletiva dos átomos, que é armazenado até que os feixes de controle sejam ligados novamente. A equipe de Laurat primeiro gerou dois feixes de luz que estão emaranhados e depois os mapeou em duas memórias seguindo este protocolo. Usando transições atômicas específicas e alcançando uma absorção muito grande em cada memória, os pesquisadores foram capazes de escrever e ler o emaranhamento com eficiência sem precedentes, enquanto preserva uma contaminação de ruído muito baixo.

"Nossa eficiência recorde exigiu primeiro um grande esforço teórico para entender melhor os fatores limitantes em nossa implementação anterior e, em seguida, um tour-de-force experimental para combinar todos os ingredientes necessários juntos, "acrescenta Mingtao Cao, uma ex-bolsista de pós-doutorado da Marie Curie e a outra autora principal do artigo. Alexandra Sheremet, ex-Marie Curie Fellow e também autora do artigo, desempenhou um papel fundamental na simulação de todo o processo e levando em consideração a complexidade dos múltiplos níveis de energia neste sistema atômico.

O trabalho relatado em Optica é um trampolim para futuras investigações. Contudo, o caminho para a construção de redes em grande escala ainda é repleto de desafios. Por exemplo, dispositivos de memória quântica eficientes também precisam ter longos tempos de armazenamento para criar emaranhamento mais rápido do que se perde. Esse recurso crítico também pode vir com a capacidade de armazenar diferentes informações em paralelo. O consórcio QIA está lidando com esses vários aspectos, tanto teoricamente quanto experimentalmente. A equipe do Prof. Laurat em Paris está se concentrando, por exemplo, no desenvolvimento de memórias "espacialmente multiplexadas" que podem armazenar vários estados ao mesmo tempo, a fim de paralelizar conexões quânticas.