Uma equipe do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA, Stanford University e Purdue University desenvolveram e demonstraram um romance, rede de área local quântica totalmente funcional, ou QLAN, para permitir ajustes em tempo real às informações compartilhadas com sistemas geograficamente isolados no ORNL usando fótons emaranhados que passam pela fibra óptica.

Esta rede exemplifica como os especialistas podem conectar rotineiramente computadores quânticos e sensores em uma escala prática, assim, percebendo todo o potencial dessas tecnologias de próxima geração no caminho para a tão esperada internet quântica. Os resultados da equipe, que são publicados em PRX Quantum , marca o culminar de anos de pesquisas relacionadas.

Redes locais que conectam dispositivos de computação clássicos não são nenhuma novidade, e QLANs foram testados com sucesso em estudos de mesa. A distribuição de chaves quânticas tem sido o exemplo mais comum de comunicações quânticas no campo até agora, mas este procedimento é limitado porque só estabelece segurança, não emaranhado, entre sites.

"Estamos tentando estabelecer uma base sobre a qual possamos construir uma internet quântica, entendendo funções críticas, como largura de banda de distribuição de emaranhamento, "disse Nicholas Peters, chefe da seção de Ciência da Informação Quântica no ORNL. "Nosso objetivo é desenvolver as ferramentas fundamentais e os blocos de construção de que precisamos para demonstrar os aplicativos de rede quântica para que possam ser implantados em redes reais para obter vantagens quânticas."

Quando dois fótons - partículas de luz - estão emparelhados, ou enredado, eles exibem correlações quânticas que são mais fortes do que as possíveis com qualquer método clássico, independentemente da distância física entre eles. Essas interações permitem protocolos de comunicação quântica contra-intuitivos que só podem ser alcançados usando recursos quânticos.

Um tal protocolo, preparação de estado remoto, aproveita o emaranhamento e as comunicações clássicas para codificar informações medindo metade de um par de fótons emaranhados e convertendo efetivamente a outra metade para o estado quântico preferido. Peters liderou a primeira realização experimental geral de preparação de estado remoto em 2005, enquanto fazia seu doutorado em física. A equipe aplicou essa técnica em todos os links emparelhados na QLAN - um feito não realizado anteriormente em uma rede - e demonstrou a escalabilidade das comunicações quânticas baseadas em emaranhamento.

Esta abordagem permitiu que a equipe conectasse três nós remotos, conhecido como "Alice, "" Bob "e" Charlie "- nomes comumente usados ​​para personagens fictícios que podem se comunicar por meio de transmissões quânticas - localizados em três diferentes laboratórios de pesquisa em três edifícios separados no campus do ORNL. Do laboratório que contém Alice e a fonte de fótons, os fótons distribuíram o emaranhamento para Bob e Charlie por meio da infraestrutura de fibra óptica existente do ORNL.

Redes quânticas são incompatíveis com amplificadores e outros recursos clássicos de aumento de sinal, que interferem nas correlações quânticas compartilhadas pelos fótons emaranhados. Com esta desvantagem potencial em mente, a equipe incorporou o provisionamento de largura de banda de rede flexível, que usa comutadores seletivos de comprimento de onda para alocar e realocar recursos quânticos para usuários de rede sem desconectar o QLAN. Esta técnica fornece um tipo de tolerância a falhas embutida por meio da qual os operadores de rede podem responder a um evento imprevisto, como uma fibra quebrada, redirecionando o tráfego para outras áreas sem interromper a velocidade da rede ou comprometer os protocolos de segurança.

"Como a demanda em uma rede pode mudar com o tempo ou com configurações diferentes, você não quer ter um sistema com canais de comprimento de onda fixo que sempre atribui a usuários específicos as mesmas partes, "disse Joseph Lukens, um Wigner Fellow e cientista pesquisador do ORNL, bem como especialista em engenharia elétrica da equipe. "Em vez de, você deseja flexibilidade para fornecer mais ou menos largura de banda aos usuários da rede de acordo com suas necessidades. "

Comparado com suas contrapartes clássicas típicas, as redes quânticas precisam que o tempo da atividade de cada nó seja muito mais sincronizado. Para atender a esse requisito, os pesquisadores confiaram no GPS, a mesma tecnologia versátil e econômica que usa dados de satélite para fornecer serviços de navegação diários. Usando uma antena GPS localizada no laboratório de Bob, a equipe compartilhou o sinal com cada nó para garantir que os relógios baseados em GPS fossem sincronizados em alguns nanossegundos e que não se afastassem durante o experimento.

Tendo obtido carimbos de data / hora precisos para a chegada de fótons emaranhados capturados por detectores de fótons, a equipe enviou essas medições da QLAN para uma rede clássica, onde eles compilaram dados de alta qualidade de todos os três laboratórios.

"Esta parte do projeto se tornou um experimento de rede clássico desafiador com tolerâncias muito restritas, "Lukens disse." O tempo em uma rede clássica raramente requer esse nível de precisão ou tanta atenção aos detalhes sobre a codificação e sincronização entre os diferentes laboratórios. "

Sem o sinal de GPS, a demonstração da QLAN teria gerado dados de qualidade inferior e baixa fidelidade, uma métrica matemática ligada ao desempenho da rede quântica que mede a distância entre os estados quânticos.

A equipe prevê que pequenas atualizações para o QLAN, incluindo a adição de mais nós e o aninhamento de comutadores seletivos de comprimento de onda juntos, formaria versões quânticas de redes interconectadas - a definição literal da Internet.

"A Internet é uma grande rede composta por muitas redes menores, "disse Muneer Alshowkan, um associado de pesquisa de pós-doutorado no ORNL que trouxe conhecimento valioso em ciência da computação para o projeto. "O próximo grande passo em direção ao desenvolvimento de uma internet quântica é conectar a QLAN a outras redes quânticas."

Adicionalmente, as descobertas da equipe podem ser aplicadas para melhorar outras técnicas de detecção, como aqueles usados ​​para buscar evidências de matéria escura indescritível, a substância invisível considerada a fonte predominante de matéria do universo.

"Imagine construir redes de sensores quânticos com a capacidade de ver os efeitos fundamentais da física de alta energia, "Peters disse." Ao desenvolver esta tecnologia, pretendemos diminuir a sensibilidade necessária para medir esses fenômenos para auxiliar na busca contínua por matéria escura e outros esforços para compreender melhor o universo. "

Os pesquisadores já estão planejando seu próximo experimento, que se concentrará na implementação de métodos de sincronização de tempo ainda mais avançados para reduzir o número de acidentes - as fontes de ruído na rede - e melhorar ainda mais a qualidade de serviço da QLAN.