A colaboração quântica demonstra em Chicagoland os primeiros passos em direção a redes quânticas funcionais de longa distância sobre fibra óptica de telecomunicações implantada, abrindo as portas para a computação quântica escalável.
O mundo aguarda a tecnologia quântica. Espera-se que a computação quântica resolva problemas complexos que a computação atual ou clássica não consegue. E a rede quântica é essencial para realizar todo o potencial da computação quântica, permitindo avanços em nossa compreensão da natureza, bem como aplicativos que melhoram a vida cotidiana.

Mas torná-lo realidade requer o desenvolvimento de computadores quânticos precisos e redes quânticas confiáveis ​​que aproveitem as tecnologias atuais de computadores e a infraestrutura existente.

Recentemente, como uma espécie de prova de potencial e um primeiro passo para redes quânticas funcionais, uma equipe de pesquisadores da Illinois-Express Quantum Network (IEQNET) implantou com sucesso uma rede quântica de longa distância entre dois laboratórios do Departamento de Energia dos EUA (DOE). usando fibra óptica local.

O experimento marcou a primeira vez que fótons codificados quânticos – a partícula através da qual a informação quântica é entregue – e sinais clássicos foram simultaneamente entregues em uma distância de escala metropolitana com um nível de sincronização sem precedentes.

A colaboração IEQNET inclui os laboratórios Fermi National Accelerator e Argonne National do DOE, Northwestern University e Caltech. Seu sucesso é derivado, em parte, do fato de que seus membros abrangem a amplitude de arquiteturas de computação, desde clássica e quântica até híbrida.

"Ter dois laboratórios nacionais separados por 50 quilômetros, trabalhando em redes quânticas com essa gama compartilhada de capacidade técnica e experiência, não é uma coisa trivial", disse Panagiotis Spentzouris, chefe do Programa de Ciência Quântica do Fermilab e pesquisador principal do projeto. "Você precisa de uma equipe diversificada para atacar esse problema muito difícil e complexo."

E para essa equipe, a sincronização provou ser a fera a domar. Juntos, eles mostraram que é possível que sinais quânticos e clássicos coexistam na mesma fibra de rede e alcancem a sincronização, tanto em distâncias de escala metropolitana quanto em condições do mundo real.

As redes de computação clássicas, apontam os pesquisadores, são bastante complexas. A introdução do desafio que é a rede quântica na mistura muda o jogo consideravelmente.

Quando os computadores clássicos precisam executar operações e funções sincronizadas, como as necessárias para segurança e aceleração de computação, eles contam com algo chamado Network Time Protocol (NTP). Esse protocolo distribui um sinal de relógio pela mesma rede que transporta as informações, com uma precisão um milhão de vezes mais rápida que um piscar de olhos.

Com a computação quântica, a precisão necessária é ainda maior. Imagine que o NTP clássico é um corredor olímpico; o relógio da computação quântica é o Flash, o super-herói super-rápido dos quadrinhos e filmes.

Para garantir que eles obtenham pares de fótons emaranhados – a capacidade de influenciar um ao outro à distância – os pesquisadores devem gerar os fótons codificados quânticos em grande número.

Saber quais pares estão emaranhados é onde entra a sincronicidade. A equipe usou sinais de temporização semelhantes para sincronizar os relógios em cada destino, ou nó, na rede Fermilab-Argonne.

Eletrônicos de precisão são usados ​​para ajustar esse sinal de temporização com base em fatores conhecidos, como distância e velocidade - neste caso, que os fótons sempre viajam na velocidade da luz - bem como por interferências geradas pelo ambiente, como mudanças de temperatura ou vibrações, na fibra óptica.

Como eles tinham apenas dois fios de fibra entre os dois laboratórios, os pesquisadores tiveram que enviar o relógio na mesma fibra que transportava os fótons emaranhados. A maneira de separar o relógio do sinal quântico é usar diferentes comprimentos de onda, mas isso vem com seu próprio desafio.

“A escolha de comprimentos de onda apropriados para os sinais de sincronização quânticos e clássicos é muito importante para minimizar a interferência que afetará as informações quânticas”, disse Rajkumar Kettimuthu, cientista da computação de Argonne e membro da equipe do projeto. "Uma analogia poderia ser que a fibra é uma estrada e os comprimentos de onda são pistas. O fóton é um ciclista e o relógio é um caminhão. Se não tomarmos cuidado, o caminhão pode cruzar na ciclovia. Então, realizamos uma grande número de experimentos para garantir que o caminhão permanecesse em sua pista."

Em última análise, os dois foram devidamente atribuídos e controlados, e o sinal de temporização e os fótons foram distribuídos de fontes no Fermilab. À medida que os fótons chegavam a cada local, as medições eram realizadas e registradas usando os detectores de fóton único de nanofios supercondutores da Argonne.

"Mostramos níveis recordes de sincronização usando tecnologia prontamente disponível que depende de sinais de radiofrequência codificados na luz", disse Raju Valivarthi, pesquisador da Caltech e membro da equipe IEQNET. "Nós construímos e testamos o sistema na Caltech, e os experimentos IEQNET demonstram sua prontidão e capacidades em uma rede de fibra óptica do mundo real conectando dois grandes laboratórios nacionais."

A rede foi sincronizada com tanta precisão que registrou apenas uma diferença de tempo de 5 picossegundos nos relógios de cada local; um picosegundo é um trilionésimo de segundo.

Essa precisão permitirá que os cientistas identifiquem e manipulem com precisão pares de fótons emaranhados para apoiar operações de rede quântica em distâncias metropolitanas em condições do mundo real. Com base nessa conquista, a equipe do IEQNET está se preparando para realizar experimentos para demonstrar a troca de emaranhamento. Esse processo permite o emaranhamento entre fótons de diferentes pares emaranhados, criando canais de comunicação quântica mais longos.

"Esta é a primeira demonstração em condições reais de usar fibra óptica real para obter esse tipo de precisão de sincronização superior e a capacidade de coexistir com informações quânticas", disse Spentzouris. “Esse desempenho recorde é um passo essencial no caminho para a construção de redes quânticas de vários nós práticas”. + Explorar mais

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