Uma coisa é sonhar com uma Internet quântica que pudesse enviar informações à prova de hackers ao redor do mundo através de fótons sobrepostos em diferentes estados quânticos. Outra bem diferente é mostrar fisicamente que é possível.



Foi exatamente isso que os físicos de Harvard fizeram, utilizando a fibra de telecomunicações existente na área de Boston, numa demonstração da maior distância de fibra do mundo entre dois nós de memória quântica até à data. Pense nisso como uma Internet simples e fechada entre os pontos A e B, transportando um sinal codificado não por bits clássicos como a Internet existente, mas por partículas individuais de luz perfeitamente seguras.

O trabalho inovador, intitulado "Emaranhamento de nós de memória quântica nanofotônica em uma rede de telecomunicações" e publicado na Nature , foi liderado por Mikhail Lukin, professor da Universidade Joshua e Beth Friedman no Departamento de Física, em colaboração com os professores de Harvard Marko Lončar e Hongkun Park, todos membros da Harvard Quantum Initiative, ao lado de pesquisadores da Amazon Web Services.

A equipe de Harvard estabeleceu os ingredientes práticos da primeira Internet quântica emaranhando dois nós de memória quântica separados por um link de fibra óptica implantado em um circuito de aproximadamente 35 quilômetros através de Cambridge, Somerville, Watertown e Boston. Os dois nós estavam localizados a um andar de distância no Laboratório de Ciência e Engenharia Integradas de Harvard.

A memória quântica, análoga à memória clássica do computador, é um componente importante de um futuro de computação quântica interconectada porque permite operações de rede complexas e armazenamento e recuperação de informações. Embora outras redes quânticas tenham sido criadas no passado, a da equipe de Harvard é a rede de fibra mais longa entre dispositivos que pode armazenar, processar e mover informações.

Cada nó é um computador quântico muito pequeno, feito de uma lasca de diamante que possui um defeito em sua estrutura atômica chamado centro de lacunas de silício. Dentro do diamante, estruturas esculpidas menores que um centésimo da largura de um fio de cabelo humano melhoram a interação entre o centro de lacunas de silício e a luz.

O centro de lacunas de silício contém dois qubits, ou bits de informação quântica:um na forma de um spin de elétron usado para comunicação, e o outro em um spin nuclear de vida mais longa usado como um qubit de memória para armazenar emaranhamento (o centro quântico-mecânico). propriedade que permite que as informações sejam perfeitamente correlacionadas em qualquer distância).

Ambas as rotações são totalmente controláveis ​​com pulsos de microondas. Esses dispositivos de diamante – com apenas alguns milímetros quadrados – estão alojados dentro de unidades de refrigeração de diluição que atingem temperaturas de -459°F.

O uso de centros de lacunas de silício como dispositivos de memória quântica para fótons únicos tem sido um programa de pesquisa de vários anos em Harvard. A tecnologia resolve um grande problema na teorizada internet quântica:perda de sinal que não pode ser aumentada pelas formas tradicionais.

Uma rede quântica não pode usar repetidores de sinal de fibra óptica padrão porque a cópia de informações quânticas arbitrárias é impossível – tornando as informações seguras, mas também muito difíceis de transportar por longas distâncias.

Os nós de rede baseados em centros de vacância de silício podem capturar, armazenar e emaranhar bits de informações quânticas enquanto corrigem a perda de sinal. Depois de resfriar os nós até perto do zero absoluto, a luz é enviada através do primeiro nó e, pela natureza da estrutura atômica do centro de lacunas de silício, fica emaranhada com ele.

"Como a luz já está emaranhada com o primeiro nó, ela pode transferir esse emaranhado para o segundo nó", explicou o primeiro autor Can Knaut, aluno da Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências Kenneth C. Griffin no laboratório de Lukin. "Chamamos isso de emaranhamento mediado por fótons."

Nos últimos anos, os pesquisadores alugaram fibra óptica de uma empresa em Boston para realizar seus experimentos, encaixando sua rede de demonstração na fibra existente para indicar que seria possível criar uma Internet quântica com linhas de rede semelhantes.

“Mostrar que os nós da rede quântica podem ser emaranhados no ambiente do mundo real de uma área urbana muito movimentada é um passo importante para a rede prática entre computadores quânticos”, disse Lukin.

Uma rede quântica de dois nós é apenas o começo. Os pesquisadores estão trabalhando diligentemente para ampliar o desempenho de sua rede, adicionando nós e experimentando mais protocolos de rede.