Criptografar dados de uma forma que garanta uma comunicação segura é um desafio cada vez maior porque os componentes cruciais dos sistemas de criptografia de hoje não podem suportar futuros computadores quânticos. Pesquisadores de todo o mundo estão, portanto, trabalhando em tecnologias para novos métodos de criptografia que também são baseados em efeitos quânticos. O fenômeno do chamado entrelaçamento quântico desempenha um papel particularmente importante aqui. Isso significa que em uma rede quântica, os qubits estacionários da rede estão emaranhados com o canal de comunicação, que geralmente consiste em fótons (partículas de luz). Pela primeira vez, físicos da Universidade de Bonn já conseguiram demonstrar o emaranhamento quântico entre um qubit estacionário, ou seja, um sistema quântico de dois estados, e um fóton com acoplamento direto a uma fibra óptica. O estudo foi publicado na revista npj Quantum Information .

Os sistemas quânticos se originam do mundo das partículas e das menores estruturas e podem ser relevantes para tecnologias futuras. Se diferentes portadores de informação quântica (nós quânticos) são interconectados por canais quânticos, pesquisadores falam de redes quânticas. Desde 2009, cientistas da Universidade de Bonn têm trabalhado na realização de um nó de rede quântica em que um único íon como um qubit de memória é acoplado a um ressonador óptico como uma interface luz-matéria.

Contudo, para a distribuição de informações quânticas em uma rede, os qubits estacionários da rede devem estar emaranhados com o canal de comunicação. A razão física é que um estado quântico não pode ser copiado e transmitido de maneira clássica. Os fótons são normalmente usados ​​como canal de comunicação, que são difíceis de armazenar, mas permitem uma transferência rápida de informações. "A implementação de interfaces eficientes entre fótons e qubits estacionários é, portanto, crucial para a taxa de transferência de informações e a escalabilidade de uma rede quântica, "explica o primeiro autor Pascal Kobel, um Ph.D. Aluno do grupo de pesquisa Física Quântica Experimental da Universidade de Bonn.

Implementação de uma interface leve

Em sua configuração experimental, os cientistas implementaram uma interface especial entre luz e matéria. Para este fim, eles usaram um ressonador óptico consistindo de dois espelhos opostos realizados nas facetas das extremidades de duas fibras ópticas. Para os espelhos côncavos, eles removeram parte da fibra óptica com um pulso de laser e, posteriormente, tiveram as extremidades da fibra óptica revestidas com um revestimento reflexivo. O diâmetro da fibra de 150 micrômetros era aproximadamente da ordem de um fio de cabelo (aproximadamente 60 micrômetros).

"A construção e combinação de tal ressonador com um único íon é experimentalmente desafiadora. As fibras e o íon devem ser colocados com uma precisão relativa de cerca de um micrômetro entre si, "diz o co-autor Moritz Breyer, também físico no grupo de pesquisa liderado pelo Prof. Dr. Michael Köhl na Universidade de Bonn. Contudo, o pequeno volume do ressonador aumenta a interação luz-matéria, que permite grandes larguras de banda para a distribuição de informações quânticas em uma rede. Outra vantagem é que o ressonador de fibra leva ao chamado acoplamento intrínseco de fótons às fibras ópticas. Isso simplifica muito sua distribuição em uma rede.

Com sua configuração experimental, os cientistas conseguiram, pela primeira vez, demonstrar o emaranhamento quântico entre um qubit estacionário e um fóton de um ressonador de fibra óptica. Eles observaram que mesmo a uma distância de um metro e meio, o íon único e o fóton compartilhavam um estado quântico emaranhado comum. "Nosso sistema apresentado é adequado como um nó em redes quânticas, "enfatiza o líder do estudo, Prof. Dr. Michael Köhl, membro do Cluster de Excelência Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) nas Universidades de Bonn, Cologne and Aachen e Forschungszentrum Jülich e na área de pesquisa transdisciplinar "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions". A rede reúne pesquisadores de diferentes disciplinas para trabalhar em conjunto em questões relevantes para o futuro na University of Excellence Bonn.

Os resultados do estudo podem ser relevantes para a chamada computação quântica distribuída ou comunicação comprovadamente segura. Em estudos futuros, os pesquisadores planejam desenvolver ainda mais seu sistema, por exemplo, melhorando a estabilidade da interface de matéria leve e usando a configuração para a distribuição de chaves quânticas.