Durante os anos 90, os engenheiros fizeram grandes avanços na área de telecomunicações, espalhando a rede para distâncias além das cidades e áreas metropolitanas. Para atingir esse fator de escalabilidade, eles usaram repetidores, que aumentava os sinais atenuados e permitia que eles viajassem por distâncias maiores com as mesmas características, como intensidade ou fidelidade. Agora, com a adição de satélites, é absolutamente normal estar no meio de uma montanha na Europa e conversar com seus entes queridos que moram em outras partes do mundo.

No caminho para a construção da futura internet quântica, as memórias quânticas desempenham o mesmo papel. Junto com fontes de qubits, eles são os blocos de construção desta nova internet, atuando como repetidores quânticos de operações de dados e usando sobreposição e emaranhamento como os principais ingredientes do sistema. Mas para operar esse sistema em um nível quântico, o emaranhado entre as memórias quânticas tinha de ser criado a longas distâncias e mantido da forma mais eficiente possível.

Todos juntos em um

Em um estudo publicado recentemente em Natureza , Os cientistas do ICFO, Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri e Jelena Rakonjac, liderado pelo ICREA Prof no ICFO, Hugues de Riedmatten, alcançaram escalabilidade, emaranhado matéria-matéria proclamada telecom entre dois remotos, memórias quânticas multimodo e de estado sólido. Em palavras mais simples, eles foram capazes de armazenar, por um máximo de 25 microssegundos, um único fóton em duas memórias quânticas colocadas a 10 metros de distância.

Os pesquisadores sabiam que o fóton estava em uma das duas memórias, mas eles não sabiam em qual, que enfatizou essa noção contra-intuitiva que temos da natureza, o que permite que o fóton esteja em um estado de superposição quântica nas duas memórias quânticas ao mesmo tempo, mas, Surpreendentemente, 10 metros de distância. A equipe também sabia que o emaranhamento foi criado com a detecção de um fóton no comprimento de onda de telecomunicações, e foi armazenado nas memórias quânticas de uma forma multiplexada, "um recurso semelhante a permitir que várias mensagens sejam enviadas ao mesmo tempo em um canal clássico." Essas duas características principais foram alcançadas juntas pela primeira vez e definem o trampolim para estender este esquema a distâncias muito maiores.

Como Dario Lago, um Ph.D. estudante do ICFO e primeiro autor do estudo, aponta com entusiasmo "Até agora, vários dos marcos alcançados neste experimento foram feitos por outros grupos, como memórias quânticas emaranhadas ou alcançar o armazenamento dos fótons em memórias quânticas com uma eficiência muito alta e taxas altas. Mas, a singularidade desse experimento é que nossas técnicas alcançaram taxas muito altas e podem ser estendidas a distâncias maiores. "

Configurando o experimento

Alcançar este marco exigiu muito esforço e tempo. Durante vários meses, a equipe configurou o experimento, onde eles usaram um cristal dopado de terra rara como uma memória quântica para a base de seu teste.

Então, eles pegaram duas fontes gerando pares correlacionados de fótons únicos. Em cada par, um fóton, nomeado usuário, está em 1436 nm (comprimento de onda de telecom), e o outro, sinal nomeado, está em um comprimento de onda de 606 nm. Os fótons de sinal único, foram enviados para uma memória quântica, feito de milhões de átomos, todos colocados aleatoriamente dentro de um cristal, e armazenado lá por meio de um protocolo chamado pente de frequência atômica. Ao lado, os fótons ociosos, também chamados de fótons mensageiros ou anunciadores, foram enviados através de uma fibra óptica para um dispositivo chamado divisor de feixe, onde a informação sobre sua origem e caminho foi completamente apagada. Samuele Grandi, pesquisador de pós-doutorado e co-autor do estudo, comentários, "Nós apagamos qualquer tipo de característica que pudesse nos dizer de onde os fótons ociosos estavam vindo, que seja a fonte 1 ou 2, e fizemos isso porque não queríamos saber nenhuma informação sobre o fóton sinal e em qual Memória Quântica ele estava sendo armazenado. "Ao apagar esses recursos, o fóton sinal pode ter sido armazenado em qualquer uma das memórias quânticas, o que significa que o emaranhamento foi criado entre eles.

Cada vez que os cientistas viam no monitor o clique de um fóton ocioso chegando ao detector, eles puderam confirmar e verificar que havia, na verdade, emaranhamento. Este emaranhamento consistia em um fóton sinal em um estado de superposição entre as duas memórias quânticas, onde foi armazenado como uma excitação compartilhada por dezenas de milhões de átomos por até 25 microssegundos.

Como Sam e Dario mencionam, “O curioso do experimento é que não é possível saber se o fóton foi armazenado na memória quântica do laboratório 1 ou do laboratório 2, que ficava a mais de 10 metros de distância. Embora esta tenha sido a principal característica de nosso experimento, e aquele que esperávamos, os resultados no laboratório ainda eram contra-intuitivos, e ainda mais peculiar e alucinante para nós é que éramos capazes de controlá-lo! "

A importância dos fótons anunciados

A maioria dos estudos anteriores que experimentaram o emaranhamento e as memórias quânticas usaram fótons para saber se o emaranhamento entre as memórias quânticas foi bem-sucedido. Um fóton anunciador é como uma pomba mensageira e os cientistas podem saber, ao chegar, que o emaranhamento entre as memórias quânticas foi estabelecido. Quando isso acontece, as tentativas de emaranhamento param e o emaranhamento é armazenado nas memórias antes de ser analisado.

Neste experimento, os cientistas usaram um fóton anunciador na frequência de telecomunicações, confirmando que o emaranhamento sendo produzido pode ser estabelecido com um fóton que é compatível com as redes de telecomunicações existentes, um feito importante, pois permite que o emaranhamento seja criado a longas distâncias e, mais ainda, permite que essas tecnologias quânticas sejam facilmente integradas às infraestruturas de rede clássicas existentes.

Multiplexar é a chave

Multiplexação é a capacidade de um sistema de enviar várias mensagens ao mesmo tempo por meio de apenas um canal de transmissão. Nas telecomunicações clássicas, esta é uma ferramenta frequente para transmitir dados pela internet. Em repetidores quânticos, essa técnica é um pouco mais complexa. Com memórias quânticas padrão, é preciso esperar que a mensagem que anuncia o emaranhamento volte às memórias, antes que se possa tentar novamente criar emaranhamento. Mas com o uso do protocolo pente de frequência atômica, que permite essa abordagem de multiplexação, os pesquisadores foram capazes de armazenar os fótons emaranhados em muitos momentos diferentes na memória quântica, sem ter que esperar por um evento anunciador bem-sucedido antes de gerar o próximo par emaranhado. Esta condição, chamado de "multiplexação temporal, "é uma característica fundamental que representa um grande aumento no tempo operacional do sistema, levando a um incremento na taxa final de emaranhamento.

Etapas futuras

Como o Prof. ICREA do ICFO Hugues de Riedmatten diz com entusiasmo, "Essa ideia foi concebida há mais de 10 anos e estou entusiasmado em ver que agora ela deu certo no laboratório. As próximas etapas são trazer o experimento para fora do laboratório, tentar ligar diferentes nós e distribuir o emaranhamento em distâncias muito maiores, além do que temos atualmente. Na verdade, estamos no meio de alcançar o primeiro elo quântico de 35 km, que será feito entre Barcelona e ICFO, em Castelldefels. "

É claro que a futura rede quântica trará muitas aplicações no futuro próximo. Este marco alcançado prova e confirma que estamos no caminho correto para desenvolver essas tecnologias disruptivas e começar a implantá-las no que será uma nova forma de comunicação, a Internet Quântica.