Uma equipe de pesquisadores da QuTech na Holanda relata a realização da primeira rede quântica de vários nós, conectando três processadores quânticos. Além disso, eles conseguiram uma demonstração de prova de princípio dos principais protocolos de rede quântica. Suas descobertas marcam um marco importante em direção à futura internet quântica e agora foram publicadas em Ciência .

O poder da Internet é que ela permite que quaisquer dois computadores na Terra se conectem. Hoje, pesquisadores em muitos laboratórios ao redor do mundo estão trabalhando em direção às primeiras versões de uma internet quântica - uma rede que pode conectar quaisquer dois dispositivos quânticos, como computadores quânticos ou sensores, em grandes distâncias. Considerando que a Internet de hoje distribui informações em bits que podem ser 0 ou 1, uma futura internet quântica fará uso de bits quânticos que podem ser 0 e 1 ao mesmo tempo.

"Uma internet quântica abrirá uma gama de novas aplicações, desde comunicação inquebrável e computação em nuvem com total privacidade do usuário até controle de tempo de alta precisão, "diz Matteo Pompili, Ph.D. aluno e um membro da equipe de pesquisa. "E, como na Internet há 40 anos, provavelmente existem muitas aplicações que não podemos prever agora. "

Rumo à conectividade onipresente

Os primeiros passos em direção a uma internet quântica foram dados na última década ao conectar dois dispositivos quânticos que compartilhavam um link físico direto. Contudo, ser capaz de transmitir informações quânticas por meio de nós intermediários (análogos aos roteadores na Internet clássica) é essencial para a criação de uma rede quântica escalável. Além disso, muitos aplicativos quânticos promissores da Internet dependem de bits quânticos emaranhados distribuídos entre vários nós. O emaranhamento é um fenômeno observado em escala quântica, fundamentalmente conectando partículas em pequenas e mesmo em grandes distâncias. Ele fornece aos computadores quânticos seu enorme poder computacional e é o recurso fundamental para o compartilhamento de informações quânticas na futura internet quântica. Ao perceber sua rede quântica no laboratório, uma equipe de pesquisadores da QuTech - uma colaboração entre a Delft University of Technology e a TNO - é a primeira a conectar dois processadores quânticos por meio de um nó intermediário e a estabelecer um emaranhamento compartilhado entre vários processadores quânticos autônomos.

Operando a rede quântica

A rede quântica rudimentar consiste em três nós quânticos, a alguma distância dentro do mesmo edifício. Para fazer com que esses nós operem como uma verdadeira rede, os pesquisadores tiveram que inventar uma nova arquitetura que permite escalar além de um único link. O nó do meio (chamado de Bob) tem uma conexão física com os dois nós externos (chamados de Alice e Charlie), permitindo que links de emaranhamento com cada um desses nós sejam estabelecidos. Bob está equipado com um bit quântico adicional que pode ser usado como memória, permitindo que um link quântico gerado anteriormente seja armazenado enquanto um novo link está sendo estabelecido. Depois de estabelecer as ligações quânticas Alice-Bob e Bob-Charlie, um conjunto de operações quânticas em Bob converte esses links em um link quântico Alice-Charlie. Alternativamente, realizando um conjunto diferente de operações quânticas em Bob, o emaranhamento entre todos os três nós é estabelecido.

Pronto para uso subsequente

Uma característica importante da rede é que ela anuncia a conclusão bem-sucedida desses protocolos (intrinsecamente probabilísticos) com um sinal de "bandeira". Esse anúncio é crucial para a escalabilidade, como em uma futura internet quântica, muitos desses protocolos precisarão ser concatenados. "Uma vez estabelecido, fomos capazes de preservar os estados emaranhados resultantes, protegendo-os do barulho, "diz Sophie Hermans, outro membro da equipe. "Significa que, em princípio, podemos usar esses estados para distribuição quântica de chaves, uma computação quântica ou qualquer outro protocolo quântico subsequente. "

Quantum internet Demonstrator

Esta primeira rede quântica baseada em emaranhamento fornece aos pesquisadores um ambiente de teste exclusivo para o desenvolvimento e teste de hardware quântico de internet, software e protocolos. "A futura internet quântica consistirá em incontáveis ​​dispositivos quânticos e nós intermediários, "diz Ronald Hanson, que liderou a equipe de pesquisa. "Os colegas da QuTech já estão olhando para a compatibilidade futura com as infraestruturas de dados existentes." No tempo devido, a abordagem de prova de princípio atual será testada fora do laboratório em fibra de telecomunicações existente - no Quantum internet Demonstrator da QuTech, dos quais o primeiro link metropolitano está programado para ser concluído em 2022.

Camadas de nível superior

No laboratório, os pesquisadores se concentrarão em adicionar mais bits quânticos à sua rede de três nós e em adicionar camadas de software e hardware de nível superior. Pompili:"Uma vez que todas as camadas de interface e controle de alto nível para operar a rede foram desenvolvidas, qualquer pessoa será capaz de escrever e executar um aplicativo de rede sem precisar entender como funcionam os lasers e os criostatos. Esse é o objetivo final. "