Transmitindo o emaranhado entre luz e matéria na rede metropolitana de Barcelona
Medição de correlações não clássicas entre locais remotos. Mapa da região metropolitana de Barcelona, com três locais destacados:ICFO, onde estão localizadas a memória e a fonte SPDC; CTTI, onde os dois segmentos de fibra óptica estão conectados; i2CAT, onde os fótons intermediários são detectados. Crédito:ICFO À medida que continuam os esforços para a realização de poderosos computadores quânticos e simuladores quânticos, existe um programa paralelo que visa atingir o análogo quântico da Internet clássica.
Esta nova rede quântica fornecerá segurança cibernética ultrassegura e quântica e, eventualmente, será dedicada à troca de qubits, os elementos unitários da informação quântica e a linguagem dos computadores quânticos. Na verdade, fornecerá uma rede através da qual diferentes computadores quânticos poderão se conectar, como os processadores clássicos são conectados na computação em nuvem.
Uma escolha inicial para a futura infra-estrutura quântica da Internet é, de facto, a rede de telecomunicações existente, que fornece um canal quase omnipresente através do qual a luz pode viajar distâncias muito grandes com absorção limitada. Por causa dessa baixa absorção e alta velocidade, a luz é uma ótima candidata como portadora de informação, seja ela clássica ou quântica.
A luz brilhante do laser pode ser facilmente usada para transferir informações clássicas na Internet, enquanto a atenuação da luz nas fibras ópticas é compensada por amplificadores de luz colocados a cada dez km dentro dessas fibras. Contudo, a transferência de informação quântica – comunicação quântica – requer meios muito mais sofisticados.
Os bits quânticos ainda são codificados na luz, especificamente em fótons únicos, mas essa codificação quântica não pode ser amplificada porque as regras da mecânica quântica o impedem; se você tentar amplificar a codificação quântica, danificará seriamente a informação contida nos fótons. Assim, os amplificadores utilizados em redes clássicas não podem ser utilizados para bits quânticos. Isto significa que é necessária uma tecnologia radicalmente nova para construir uma versão quântica da Internet:o repetidor quântico.
À medida que os amplificadores de luz garantem a conectividade entre locais distantes, os repetidores quânticos permitirão a comunicação de longa distância, distribuindo o emaranhamento entre eles.
O emaranhamento é uma propriedade exclusivamente quântica de dois objetos que apresenta correlações que não podem ser reproduzidas por meios clássicos, e é um dos principais componentes da comunicação quântica. Pode ser usado para transferir informações quânticas, por exemplo, por meio de teletransporte quântico entre dois nós de um sistema repetidor quântico.
Uma forma de estabelecer o emaranhamento remoto entre dois nós é através da transmissão direta:um par emaranhado de fótons pode ser gerado, com um permanecendo parado enquanto o outro viaja para o outro local. Isso significa que esta última deve ser compatível com a transmissão por fibra óptica, enquanto a primeira deve ser armazenada em uma memória quântica, levando ao emaranhamento entre a luz e a matéria.
Agora, é necessário um conjunto de repetidores quânticos para emparelhar vários desses nós para conseguir um emaranhamento de longa distância entre memórias quânticas. Uma arquitetura promissora para esses nós repetidores quânticos depende do emparelhamento da geração espontânea de pares de fótons, um processo conhecido como conversão descendente espontânea (SPDC), com uma memória quântica externa.
Esta é a abordagem adotada pelos pesquisadores do ICFO. Em um novo estudo publicado no arXiv servidor de pré-impressão, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Soren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera e Felicien Appas, liderados pelo ICREA Prof. no ICFO Hugues de Riedmatten demonstram a transmissão do emaranhamento luz-matéria ao longo de dezenas de quilômetros de fibra óptica.
Em seu experimento, eles geraram pares de fótons, onde um é emitido no comprimento de onda de telecomunicações de 1436nm, enquanto o outro é emitido em 606nm, compatível com as memórias quânticas de estado sólido utilizadas, realizadas em cristais especiais dopados com átomos de terras raras.
Eles então acessaram a rede metropolitana de Barcelona, conectando seu sistema a duas fibras que iam do ICFO, em Castelldefels, ao Centro de Telecomunicações da Catalunha (CTTI), em Hospitalet de Llobregat. Ao ligar os dois centros, criaram um anel de 50 km, enviando os fotões até ao centro de Barcelona e de volta ao ICFO.
Com isso, eles demonstraram que após uma viagem completa de 50 km, a luz gerada no laboratório mantém suas características quânticas sem diminuição substancial, mostrando que os qubits fotônicos não manifestam decoerência ao viajar dezenas de km em um cabo de fibra óptica, mesmo em uma área metropolitana. Resumindo, a luz quântica saiu do laboratório e foi finalmente detectada na sua origem.
No entanto, a comunicação quântica requer o uso e a verificação do emaranhamento entre locais remotos, onde fótons emaranhados são detectados em locais bem separados no espaço e no tempo. Seguindo nesta direção, os investigadores alargaram a sua rede para incluir um novo nó, desta vez localizado na fundação i2CAT, um edifício em Barcelona, a cerca de 44 km do ICFO através da rede local de fibra óptica e a 17 km em linha reta.
Lá, instalaram um detector de telecomunicações para medir a chegada dos fótons que passavam por uma das fibras enquanto a outra fibra estava conectada a um transdutor, que transformava o sinal elétrico do detector em luz e o enviava pela linha de fibra óptica.
Desta forma, a informação poderia ser transmitida ao ICFO com alta precisão, mesmo que o fóton tenha sido detectado a cerca de 17 km de distância. Além disso, utilizaram os mesmos transdutores para enviar sinais de sincronização entre os dois nós desta rede básica, onde a geração e detecção de correlações quânticas foram totalmente separadas entre dois nós independentes, mas conectados.
O experimento validou o sistema usado pelos pesquisadores para gerar o emaranhamento luz-matéria e provou ser um dos candidatos pioneiros para a realização de um nó repetidor quântico, a tecnologia que permite a comunicação quântica de longa distância. Demonstrações de prova de princípio já foram realizadas em laboratório e o grupo agora está trabalhando para melhorar o desempenho da memória e da fonte.
Além disso, os investigadores fizeram parceria com a Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya), e um novo laboratório está disponível na torre Collserola no contexto dos projetos QNetworks e EuroQCI Espanha para a realização de um estado emaranhado de memórias quânticas remotas.
A realização de uma espinha dorsal de longa distância para distribuição de emaranhamento entre memórias quânticas é também um dos principais objetivos da Quantum Internet Alliance (QIA), o principal esforço europeu na realização da Internet quântica da qual o ICFO é o principal parceiro.
Os resultados deste estudo, "nomeadamente a transmissão do emaranhamento luz-matéria através de fibras implantadas numa área metropolitana, são o trampolim inicial para a realização de uma Internet quântica completa, com a nossa fonte e nó quântico de memória no seu núcleo, " comenta Samuele Grandi, pesquisador do ICFO e coautor do estudo.
Como conclui Hugues de Riedmatten, professor do ICREA no ICFO, "o emaranhamento luz-matéria é um recurso chave para a comunicação quântica e foi demonstrado muitas vezes em laboratório. Demonstrá-lo na rede de fibra instalada é um primeiro passo para realizar um banco de testes para tecnologias de repetidores quânticos na área de Barcelona, preparando o terreno para redes de longa distância baseadas em fibra."
