A tecnologia quântica normalmente emprega qubits (bits quânticos) que consistem em, por exemplo, elétrons únicos, fótons ou átomos. Um grupo de pesquisadores da TU Delft demonstrou agora a capacidade de teletransportar um estado qubit arbitrário de um único fóton para um dispositivo optomecânico - consistindo em uma estrutura mecânica composta por bilhões de átomos. Sua pesquisa inovadora, agora publicado em Nature Photonics , permite aplicações do mundo real, como nós quânticos repetidores da Internet, ao mesmo tempo que permite que a própria mecânica quântica seja estudada de novas maneiras.

Optomecânica quântica

O campo da optomecânica quântica usa meios ópticos para controlar o movimento mecânico no regime quântico. Os primeiros efeitos quânticos em dispositivos mecânicos em microescala foram demonstrados há cerca de dez anos. Desde então, esforços concentrados resultaram em estados emaranhados entre dispositivos optomecânicos, bem como demonstrações de uma memória quântica optomecânica. Agora, o grupo de Simon Gröblacher, do Instituto de Nanociência Kavli e do Departamento de Nanociência Quântica da Universidade de Tecnologia de Delft, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Campinas no Brasil, mostrou o primeiro teletransporte bem-sucedido de um estado qubit óptico arbitrário para uma memória quântica micromecânica.

Nós repetidores para uma internet quântica

O teletransporte quântico - a transferência fiel de um estado quântico de entrada desconhecido para um sistema quântico remoto - é um componente-chave dos protocolos de comunicação quântica de longa distância necessários para construir uma internet quântica. Assim como a Internet normal, distribuição de informações quânticas entre dispositivos quânticos em qualquer lugar do mundo exigirá uma rede de nós repetidores. Cada nó armazenará temporariamente a informação quântica em uma memória antes de teletransportá-la para um nó subsequente, em última análise, estabelecendo comunicação quântica de longa distância.

Dois ressonadores micromecânicos compartilhando um único estado quântico

Em seu experimento, os pesquisadores criam um qubit fotônico codificado por polarização em um estado quântico arbitrário. Eles então transportam esse fóton por dezenas de metros de fibra óptica e o teletransportam para sua memória quântica composta de duas ressonadores mecânicos de silício - cada um com cerca de 10 micrômetros de tamanho e consistindo de dezenas de bilhões de átomos. A informação quântica foi armazenada no subespaço de excitação única dos dois ressonadores. Para testar a confiabilidade do processo, os pesquisadores demonstraram ainda que podiam recuperar fielmente esse estado teletransportado da memória.

Comprimentos de onda de telecomunicações

Embora o teletransporte quântico já tenha sido demonstrado em vários sistemas quânticos, o uso de dispositivos optomecânicos é um avanço porque eles podem ser projetados para operar em qualquer comprimento de onda óptico, incluindo os comprimentos de onda de fibra de telecomunicações infravermelho de baixa perda. “É esse comprimento de onda que resulta na menor perda de transmissão, permitindo a maior distância entre os nós repetidores, "Gröblacher diz." Este marco foi possível devido à qualidade e flexibilidade de nossos sistemas optomecânicos nanofabricados, que, ao contrário da maioria dos outros sistemas quânticos, permitir propriedades ópticas projetadas de forma independente. Uma futura internet quântica, sem dúvida, fará uso da rede de telecomunicações existente neste comprimento de onda. "

Todos os blocos de construção

Em princípio, o teletransporte quântico pode ser feito em distâncias arbitrárias. Ao teletransportar um estado quântico fotônico ao longo de dezenas de metros de fibra óptica para uma memória quântica, os pesquisadores demonstraram a necessidade de um nó repetidor quântico optomecânico totalmente funcional. Gröblacher:"Agora temos que melhorar ainda mais o desempenho para o nível necessário para um sistema que pode ser implantado em um aplicativo do mundo real, como aumentar as taxas de repetição, fidelidades e a taxa de sucesso do teletransporte e armazenamento de qubit. "De acordo com Thiago Alegre, pesquisador da Universidade Estadual de Campinas e colaborador deste projeto, uma rota será projetar sistemas optomecânicos que sejam resilientes à absorção óptica parasitária. "Isso pode ser realizado devido à flexibilidade desses dispositivos nanofabricados."

Uma abordagem híbrida

A pesquisa atual é um grande passo em direção à visão de Gröblacher de uma futura internet quântica híbrida. “Estamos trabalhando em uma rede heterogênea, onde você tem vários sistemas físicos se comunicando e realizando diferentes funcionalidades, ", diz ele." Você pode ter nós repetidores quânticos optomecânicos conectados a um computador quântico ou memória consistindo em qubits supercondutores ou sistemas quânticos de spin, respectivamente. Todos eles terão que ser compatíveis entre si e operar no mesmo comprimento de onda para transferir informações quânticas com fidelidade. "

Transição quântica para clássica

Além de habilitar blocos de construção para novas tecnologias quânticas, a capacidade de teletransportar um estado qubit arbitrário para um estado massivo, Os osciladores mecânicos também podem ser usados ​​para testar a própria física quântica em um nível fundamental. Considerando que sistemas muito pequenos normalmente se comportam de acordo com as leis da mecânica quântica, grandes sistemas são governados pelas leis clássicas da física. "Experimentos excluíram certas teorias que descrevem mecanismos de decoerência que levam à transição quântica para clássica, mas estamos longe de uma resposta definitiva, "Gröblacher diz." Como é relativamente fácil escalar nossos sistemas optomecânicos e usar o teletransporte para criar estados quânticos interessantes, este é um passo importante para compreender este limite. "