A primeira revolução quântica trouxe a eletrônica de semicondutores, o laser e finalmente a internet. A chegada, segunda revolução quântica promete comunicação à prova de espionagem, sensores quânticos extremamente precisos e computadores quânticos para tarefas de computação anteriormente insolúveis. Mas esta revolução ainda está em sua infância. Um objeto de pesquisa central é a interface entre os dispositivos quânticos locais e os quanta de luz que permitem a transmissão remota de informações quânticas altamente sensíveis. O grupo Otto-Hahn "Quantum Networks" no Max-Planck-Institute of Quantum Optics em Garching está pesquisando esse "modem quântico". A equipe agora alcançou a primeira descoberta em uma tecnologia relativamente simples, mas altamente eficiente, que pode ser integrada às redes de fibra óptica existentes. O trabalho é publicado esta semana em Revisão Física X .

A pandemia Corona é um lembrete diário de como a Internet se tornou importante. A World Wide Web, antes um subproduto da pesquisa física básica, mudou radicalmente a nossa cultura. Uma internet quântica poderia se tornar a próxima grande inovação da física?

Ainda é muito cedo para responder a essa pergunta, mas a pesquisa básica já está trabalhando na internet quântica. Muitas aplicações serão mais especializadas e menos sensuais do que a videoconferência, mas a importância da comunicação de longa distância à prova de espionagem é compreensível para todos. "No futuro, uma internet quântica poderia ser usada para conectar computadores quânticos localizados em lugares diferentes, "Andreas Reiserer diz, "o que aumentaria consideravelmente seu poder de computação!" O físico chefia o grupo independente de pesquisa Otto-Hahn "Quantum Networks" no Max-Planck-Institute of Quantum Optics em Garching.

Uma internet quântica é, portanto, essencialmente sobre a rede global de novas tecnologias que fazem um uso muito mais consequente da física quântica do que nunca. Contudo, isso requer interfaces adequadas para as informações quânticas extremamente sensíveis. Este é um enorme desafio técnico, razão pela qual tais interfaces são um foco central da pesquisa fundamental. Eles devem garantir que os bits quânticos estacionários - qubits para abreviar - interajam eficientemente com qubits "voadores" para comunicação de longa distância sem destruir as informações quânticas. Qubits estacionários estarão localizados em dispositivos locais, por exemplo, como a memória ou processador de um computador quântico. Qubits voadores são tipicamente quanta leves, fótons, que transportam as informações quânticas pelo ar, um vácuo de espaço ou através de redes de fibra óptica.

Conexão delicada entre bits quânticos

O "modem quântico" é projetado para estabelecer com eficiência uma conexão entre qubits voadores e estacionários. Para este propósito, a equipe do aluno de doutorado Benjamin Merkel desenvolveu uma nova tecnologia e acaba de demonstrar sua funcionalidade básica. Sua vantagem crucial é que ele pode ser integrado à rede de fibra óptica de telecomunicações existente. Esta seria a maneira mais rápida de desenvolver uma rede funcional de longa distância de tecnologias quânticas.

Para que este sistema funcione, os fótons enviados ou recebidos pelo modem como portadores de informações quânticas devem corresponder precisamente ao comprimento de onda infravermelho da luz laser usada para telecomunicações. Isso significa que o modem deve ter qubits em repouso que possam reagir precisamente a esses fótons infravermelhos com um salto quântico. Somente dessa forma a informação quântica sensível pode ser transmitida diretamente entre os qubits em repouso e os qubits voadores.

Uma extensa pesquisa do grupo baseado em Garching mostrou que o elemento érbio é o mais adequado para esse propósito. Seus elétrons podem realizar um salto quântico perfeitamente compatível. Infelizmente, os átomos de érbio relutam muito em dar esse salto quântico. Portanto, eles devem ser fixados em um ambiente que os force a reagir mais rapidamente. Para resolver este problema, os átomos de érbio e os fótons infravermelhos ficam presos em um espaço adequado pelo maior tempo possível. "Você pode pensar nisso como uma festa, que deve estimular a melhor comunicação possível entre, Digamos, dez convidados, "Reiserer explica. O tamanho do espaço é crucial aqui." Em um estádio de futebol, os convidados se perderiam, uma cabine telefônica, por sua vez, seria muito pequena, "o físico continua, "mas uma sala de estar serviria perfeitamente."

A festa, Contudo, acabaria rapidamente porque os fótons viajam à velocidade da luz e, portanto, são altamente voláteis e estão sempre tentados a partir. É por isso que o modem quântico Garching usa um minúsculo armário com espelho como uma "sala de estar" para ele, a equipe embalou os átomos em um cristal transparente feito de um composto de silicato de ítrio, que é cinco vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Este cristal, por sua vez, é colocado como um sanduíche espalhado entre dois espelhos quase perfeitos. Para eliminar a oscilação de calor dos átomos, que é destrutivo para a informação quântica, todo o conjunto é resfriado a menos 271 ° C.

Ping-pong de fótons no armário do espelho

Os fótons presos entre os espelhos são refletidos para frente e para trás através do cristal como bolas de pingue-pongue. Eles passam pelos átomos de érbio com tanta frequência que os átomos têm tempo suficiente para reagir com um salto quântico. Comparado a uma situação sem um armário com espelho, isso acontece com muito mais eficiência e quase sessenta vezes mais rápido. Desde os espelhos, apesar de sua perfeição, também são ligeiramente permeáveis ​​aos fótons, o modem pode se conectar à rede.

“Estamos muito felizes com este sucesso, "Reiserer diz. Como próximo passo, ele quer melhorar o experimento de forma que átomos de érbio individuais possam ser tratados como qubits por meio de luz laser. Este não é apenas um passo importante em direção a um modem quântico utilizável. Os átomos de érbio como qubits em um cristal podem até servir diretamente como um processador quântico, que é a parte central de um computador quântico. Isso tornaria o modem facilmente compatível com esses terminais quânticos.

Com uma solução tão elegante, "repetidores quânticos" construídos de forma comparativamente simples também se tornariam possíveis. A cada cem quilômetros, os dispositivos teriam que compensar as perdas crescentes de informações quânticas transportadas por fótons na rede de fibra óptica. Esses "repetidores quânticos" também são o foco da pesquisa internacional. "Embora tal dispositivo baseado em nossa tecnologia custasse cerca de cem mil euros, o uso generalizado não seria irreal, "Reiserer diz.

O modem quântico de Garching ainda é uma pesquisa puramente fundamental. Mas tem o potencial de avançar na realização técnica de uma internet quântica.