Configuração de pontos quânticos da equipe. Crédito:Imperial College Londres Os pesquisadores produziram, armazenaram e recuperaram informações quânticas pela primeira vez, uma etapa crítica nas redes quânticas.
A capacidade de compartilhar informações quânticas é crucial para o desenvolvimento de redes quânticas para computação distribuída e comunicação segura. A computação quântica será útil para resolver alguns tipos importantes de problemas, como otimizar o risco financeiro, descriptografar dados, projetar moléculas e estudar as propriedades dos materiais.
No entanto, este desenvolvimento está a ser adiado porque a informação quântica pode ser perdida quando transmitida a longas distâncias. Uma forma de superar essa barreira é dividir a rede em segmentos menores e conectá-los todos com um estado quântico compartilhado.
Para fazer isso, é necessário um meio de armazenar as informações quânticas e recuperá-las novamente:isto é, um dispositivo de memória quântica. Isto deve “falar” com outro dispositivo que permita a criação de informação quântica em primeiro lugar.
Pela primeira vez, os pesquisadores criaram um sistema desse tipo que faz a interface entre esses dois componentes principais e usa fibras ópticas regulares para transmitir os dados quânticos.
O feito foi alcançado por pesquisadores do Imperial College London, da Universidade de Southampton e das Universidades de Stuttgart e Wurzburg, na Alemanha, com resultados publicados na revista Science Advances. .
A co-autora Dra. Sarah Thomas, do Departamento de Física do Imperial College London, disse:"A interface de dois dispositivos principais é um passo crucial para permitir a rede quântica, e estamos realmente entusiasmados por ser a primeira equipe a ter sido capaz de demonstrar isso."
O coautor Lukas Wagner, da Universidade de Stuttgart, acrescentou:“Permitir que locais de longa distância, e até mesmo computadores quânticos, se conectem é uma tarefa crítica para futuras redes quânticas”.
Comunicação de longa distância
Nas telecomunicações normais – como a Internet ou as linhas telefónicas – as informações podem ser perdidas em grandes distâncias. Para combater isso, esses sistemas utilizam 'repetidores' em pontos regulares, que leem e reamplificam o sinal, garantindo que ele chegue intacto ao seu destino.
Os repetidores clássicos, entretanto, não podem ser usados com informação quântica, pois qualquer tentativa de ler e copiar a informação a destruiria. Isto é uma vantagem por um lado, já que as conexões quânticas não podem ser “aproveitadas” sem destruir as informações e alertar os usuários. No entanto, é um desafio a ser enfrentado para redes quânticas de longa distância.
Esquema da configuração experimental para a interface QD-memória quântica. (A) Esquema de nível de energia para o protocolo de memória quântica ORCA de telecomunicações em vapor de rubídio. (B) Esquema da amostra QD de semicondutor com DBR inferior de semicondutor, buffer metamórfico (MMB) e DBR superior de óxido. (C). Configuração experimental da interface híbrida para armazenar fótons de uma fonte QD de fóton único em uma memória quântica. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi7346
Uma maneira de superar esse problema é compartilhar informações quânticas na forma de partículas emaranhadas de luz ou fótons. Os fótons emaranhados compartilham propriedades de tal forma que não é possível compreender um sem o outro. Para compartilhar o emaranhamento por longas distâncias em uma rede quântica, são necessários dois dispositivos:um para criar os fótons emaranhados e outro para armazená-los e permitir que sejam recuperados posteriormente.
Existem vários dispositivos usados para criar informações quânticas na forma de fótons emaranhados e para armazená-las, mas gerar esses fótons sob demanda e ter uma memória quântica compatível para armazená-los escapou aos pesquisadores por muito tempo.
Os fótons têm certos comprimentos de onda (que, na luz visível, criam cores diferentes), mas os dispositivos para criá-los e armazená-los são frequentemente ajustados para funcionar com comprimentos de onda diferentes, impedindo-os de interagir.
Para fazer a interface dos dispositivos, a equipe criou um sistema onde ambos os dispositivos usavam o mesmo comprimento de onda. Um 'ponto quântico' produzia fótons (não emaranhados), que eram então passados para um sistema de memória quântica que armazenava os fótons dentro de uma nuvem de átomos de rubídio. Um laser “ligava” e “desligava” a memória, permitindo que os fótons fossem armazenados e liberados sob demanda.
O comprimento de onda desses dois dispositivos não apenas corresponde, mas também está no mesmo comprimento de onda das redes de telecomunicações usadas hoje – permitindo que sejam transmitidos com cabos de fibra óptica comuns, familiares às conexões diárias de Internet.
Colaboração Europeia
A fonte de luz de pontos quânticos foi criada por pesquisadores da Universidade de Stuttgart com o apoio da Universidade de Wurzburg e depois trazida para o Reino Unido para fazer interface com o dispositivo de memória quântica criado pela equipe Imperial e de Southampton. O sistema foi montado em um laboratório subterrâneo do Imperial College London.
Embora tenham sido criados pontos quânticos independentes e memórias quânticas que são mais eficientes do que o novo sistema, esta é a primeira prova de que os dispositivos podem ser feitos para interagir em comprimentos de onda de telecomunicações.
A equipe agora tentará melhorar o sistema, inclusive garantindo que todos os fótons sejam produzidos no mesmo comprimento de onda, melhorando por quanto tempo os fótons podem ser armazenados e tornando todo o sistema menor.
Como prova de conceito, no entanto, este é um passo importante, diz o co-autor Dr. Patrick Ledingham, da Universidade de Southampton. “Os membros da comunidade quântica têm tentado ativamente essa ligação há algum tempo. Isso inclui nós, que já tentamos esse experimento duas vezes antes com diferentes dispositivos de memória e pontos quânticos, há mais de cinco anos, o que só mostra o quão difícil é fazer isso. ."
“O avanço desta vez foi reunir especialistas para desenvolver e executar cada parte do experimento com equipamentos especializados e trabalhar juntos para sincronizar os dispositivos”.
