Mesmo que a comunicação quântica seja à prova de tap, até agora não é particularmente eficiente. Pesquisadores do Instituto Max Planck de Óptica Quântica querem mudar isso. Eles desenvolveram um método de detecção que pode ser usado para rastrear transmissões quânticas. As informações quânticas são enviadas por longas distâncias na forma de fótons (ou seja, partículas de luz). Contudo, estes são perdidos rapidamente. Descobrir após apenas uma distância parcial se esse fóton ainda está a caminho de seu destino ou já foi perdido, pode reduzir significativamente o esforço necessário para o processamento de informações. Isso tornaria aplicativos como a criptografia de transferências de dinheiro muito mais viáveis.

A criptografia quântica pode em breve se tornar o método de escolha para proteger o tráfego de dados de agências governamentais ou bancos. Contudo, No futuro previsível, provavelmente não protegerá nosso tráfego de e-mail de leitores indesejados. A troca de qubits, a menor unidade de informação quântica, é simplesmente muito complexo. Um dos maiores problemas:partículas de luz que carregam qubits por longas distâncias e são facilmente desviadas de seu caminho no ar ou absorvidas em fibras de vidro - e de repente, a informação quântica é perdida. Como a maioria dos fótons são perdidos em uma transmissão ao longo de cerca de 100 km, milhares de fótons teriam que ser transmitidos para transmitir diretamente apenas um único qubit nesta distância. A transmissão de informações quânticas pode, portanto, se tornar um caso demorado, embora a luz viaje muito rápido e possa cobrir a distância de Munique a Berlim (cerca de 600 km) em apenas cerca de dois milissegundos.

O detector não lê as informações quânticas

Uma equipe em torno de Dominik Niemietz e Gerhard Rempe no Instituto Max Planck de Óptica Quântica desenvolveu agora um protocolo físico que pode indicar se o qubit já foi perdido em estações intermediárias da transmissão quântica. "Se esse é o caso, o transmissor pode enviar o qubit novamente com atraso significativamente menor do que se a perda for percebida apenas na extremidade de recepção, "diz Dominik Niemietz, que desenvolveu o detector de qubits fotônicos (como é chamado no jargão técnico) como parte de sua dissertação. "É essencial que não destruamos o qubit. Portanto, estamos apenas detectando o fóton qubit e não o medindo." Em outras palavras:o detector detecta se o fóton está lá ou não, mas não lê a informação quântica codificada nele. É algo como rastrear uma remessa online sem poder ver dentro do pacote. "Isso é crucial porque as leis da física quântica excluem a cópia de um qubit 1 para 1 - é nisso que a criptografia quântica se baseia." Posto quântico, portanto, não pode ser atualizado em uma estação intermediária, nem por aqueles que instalaram o transmissor e o receptor, nem por espiões.

Dois ressonadores e um átomo permitem a detecção do qubit

Para detectar um fóton carregando informações quânticas sem ler a mensagem em si, os físicos trabalham com um átomo que prendem em dois ressonadores perpendiculares. Cada um dos dois ressonadores consiste em dois espelhos, de modo que o átomo é circundado por quatro espelhos dispostos em cruz. Um dos ressonadores é projetado de forma que o átomo reconheça a presença do fóton por um toque extremamente suave:o ressonador está localizado na extremidade de uma fibra óptica através da qual um fóton o atinge - ou não. Quando o fóton chega lá, é refletido e muda o estado do átomo. O que é importante aqui é que as informações quânticas não sejam afetadas por isso - da mesma forma que os distribuidores de pacotes deixam mensagens se os destinatários não estão em casa e levam o pacote novamente. O fóton influencia o estado do átomo. No processo, o spin atômico é alterado - semelhante a um pião, cuja rotação é revertida em 180 graus de um momento para o outro. Em contraste, a informação quântica é compactada no plano de oscilação - os físicos falam de polarização - do fóton.

Mas como podemos saber se o fóton estava lá e mudou o estado do átomo ou não? Este é o trabalho do segundo ressonador. Se nenhum fóton chegar ao detector no tempo esperado, os físicos de Garching podem fazer o átomo brilhar irradiando-o com luz laser. Eles podem detectar facilmente o brilho através do segundo par de espelhos e com um fotodetector clássico. Se um fóton é refletido no outro ressonador, mudando o estado do átomo, isso não funciona, e o átomo permanece escuro.

De 14 quilômetros, o detector acelera a comunicação quântica

Os pesquisadores do Max Planck mostraram com cálculos de modelo que a detecção de fótons transportando qubits torna a comunicação quântica mais eficiente. De acordo, o detector que eles usaram para o experimento aceleraria a transmissão de informações quânticas a uma distância maior que 14 quilômetros. "Um detector de qubits fotônicos também pode ser útil em distâncias mais curtas, "diz Pau Farrera, que fazia parte da equipe de pesquisa. Contudo, para que isso aconteça, a detecção teria que funcionar de forma ainda mais confiável do que no experimento atual. "Este não é um problema fundamental, mas apenas técnico, "explica o físico. A eficiência do detector atualmente sofre principalmente porque o ressonador reflete apenas cerca de um terço dos fótons que chegam. Somente no caso de uma reflexão um fóton deixa um traço no átomo." podemos aumentar essa eficiência para quase 100 por cento, melhorando a fabricação dos ressonadores. "

Um detector que detecta de forma confiável um qubit fotônico não só seria útil no rastreamento de informações quânticas durante a transmissão, mas também poderia confirmar a chegada do posto quântico ao seu destino. Isso é benéfico se a informação codificada no fóton for posteriormente processada de uma maneira complexa - por exemplo, se deve ser transferido para átomos emaranhados. Emaranhamento é um fenômeno da mecânica quântica que pode ser usado para criptografar e processar dados. Nesse processo, duas partículas espacialmente separadas tornam-se uma única entidade quântica. Mudanças em uma partícula levam, portanto, diretamente a mudanças na outra. "Criar emaranhamento é complexo, "diz Gerhard Rempe, Diretor do Instituto Max Planck de Óptica Quântica. "Você deve usá-lo para processar um qubit apenas se tiver certeza de que esse qubit está lá."

Demonstrar como o pós-rastreamento quântico pode ser usado no processamento de informações é um possível objetivo de futuros experimentos no grupo de Gerhard Rempe:"Gostaríamos de usar o detector para comunicação quântica entre nosso Instituto em Garching e um local mais distante. Por exemplo, para dar o passo de nosso laboratório para a aplicação prática, "diz o diretor do Max Planck." Desta forma, estamos mais uma vez nos aproximando um pouco mais de nosso grande objetivo de longo prazo, a internet quântica. "