Poucos termos são mais onipresentes na arena científica atualmente do que "quântico".

As tecnologias baseadas nas leis notoriamente complicadas da mecânica quântica prometem habilitar computadores muito mais poderosos do que os supercomputadores mais rápidos de hoje, comunicações seguras inquebráveis ​​e capacidades de detecção sem precedentes necessárias para futuras descobertas científicas.

Mas para que essas tecnologias vejam a luz do dia, os pesquisadores devem desenvolver redes de comunicações quânticas eficientes que conectem dispositivos quânticos enquanto preservam os estados delicados das partículas usadas para transmitir informações.

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, junto com colegas da Purdue University, deu um passo importante em direção a esse objetivo, aproveitando a frequência, ou cor, de luz. Essas capacidades podem contribuir para redes quânticas mais práticas e em grande escala exponencialmente mais poderosas e seguras do que as redes clássicas que temos hoje.

Especificamente, a equipe está aproveitando as propriedades da luz e os princípios da mecânica quântica para transferir informações, tornando a própria rede um processador fotônico de informações quânticas. Essa abordagem é promissora por vários motivos.

Para iniciantes, os fótons viajam na velocidade da luz, permitindo que as informações cheguem do ponto A ao ponto B o mais rápido possível. Os fótons geralmente não interagem uns com os outros ou com o ambiente circundante, garantindo que as informações não sejam embaralhadas ou corrompidas durante o trânsito. "A luz é realmente a única opção viável para comunicações quânticas em longas distâncias, "disse o líder do projeto Joseph Lukens, um cientista de pesquisa ORNL, Wigner Fellow e vencedor do DOE Early Career Award que ajudou a detalhar os resultados da equipe em Cartas de revisão física .

A equipe usou luz para produzir qubits bin de frequência, ou fótons únicos que residem em duas frequências diferentes simultaneamente, para demonstrar operações de comunicação totalmente arbitrárias em codificação de frequência pela primeira vez. Embora a codificação de frequência e o emaranhamento apareçam em muitos sistemas e sejam naturalmente compatíveis com a fibra óptica, usar esses fenômenos para realizar operações de manipulação e processamento de dados tem se mostrado tradicionalmente difícil. Tais operações, Contudo, são necessários para funções básicas de rede em comunicações quânticas e, por extensão, a realização de uma vasta gama de tecnologias quânticas.

Usando uma tecnologia desenvolvida no ORNL conhecida como processador de frequência quântica, os pesquisadores demonstraram portas quânticas amplamente aplicáveis, ou as operações lógicas necessárias para realizar protocolos de comunicação quântica. Nestes protocolos, pesquisadores precisam ser capazes de manipular fótons de uma forma definida pelo usuário, frequentemente em resposta a medições realizadas em partículas em qualquer parte da rede. Considerando que as operações tradicionais usadas em computadores clássicos e tecnologias de comunicação, como AND e OR, operar em zeros e uns digitais individualmente, portas quânticas operam em sobreposições simultâneas de zeros e uns, mantendo as informações quânticas protegidas à medida que passam, um fenômeno necessário para realizar uma verdadeira rede quântica.

Provando que sua configuração pode transformar qualquer estado de qubit em um estado de qubit diferente, a equipe demonstrou transferência de informações práticas. "Se você pode fazer operações arbitrárias, você pode fazer qualquer um dos protocolos de comunicação quântica fundamentais, como roteamento com base na conversão de frequência, "disse Lukens.

Deles é um de muitos sistemas diferentes, mas entre os mais promissores considerando os resultados. Como um exemplo, a equipe demonstrou com sucesso mais de 98% de fidelidade - uma medida quantitativa de precisão - usando sua configuração personalizada.

Embora a rede quântica de categoria de frequência tenha sido historicamente difícil de controlar, a caixa de ferramentas da equipe, Lukens disse, torna muito mais controlável. Não apenas isso, é um sistema produzido naturalmente que se traduz bem em fibras ópticas existentes. Na verdade, o sistema foi desenvolvido usando componentes clássicos de telecomunicações, como moduladores de fase. Esses fatores tornam a tecnologia menos cara e mais atraente para as indústrias que procuram aplicá-la. Além disso, este efeito dominó avança as comunicações clássicas e quânticas simultaneamente, assim, avançando os métodos da equipe e, possivelmente, trazendo as redes quânticas de grande escala um passo mais perto da realidade.

Seu próximo experimento envolverá a implementação de seu sistema em um circuito integrado fotônico. "Existem muitas aplicações imprevistas, "disse Lukens." A codificação de frequência é produzida naturalmente por muitos sistemas diferentes, e é muito adequado para fibra óptica, portanto, o espaço de aplicação potencial deve ser amplo. "