Nas últimas décadas, físicos e engenheiros quânticos têm tentado desenvolver sistemas de comunicação quântica novos e confiáveis. Esses sistemas poderiam, em última análise, servir como uma plataforma de teste para avaliar e desenvolver protocolos de comunicação.



Pesquisadores da Universidade de Chicago introduziram recentemente um novo ambiente de teste de comunicação quântica com nós supercondutores remotos e demonstraram comunicação multifotônica bidirecional neste ambiente de teste. O artigo deles, publicado em Physical Review Letters , poderia abrir um novo caminho para a realização da comunicação eficiente de estados quânticos complexos em circuitos supercondutores.

“Estamos desenvolvendo qubits supercondutores para computação quântica modular e como uma plataforma de teste de comunicação quântica”, disse Andrew Cleland, coautor do artigo, ao Phys.org. "Ambos dependem da capacidade de comunicar estados quânticos de forma coerente entre 'nós' de qubit que estão conectados uns aos outros por meio de uma rede de comunicação esparsa, normalmente uma única linha de transmissão física."

O estudo recente dos pesquisadores baseia-se em dois artigos de pesquisa anteriores publicados na Nature Physics e Natureza . Nestes trabalhos anteriores, a equipe demonstrou que poderiam gerar emaranhamento remoto e enviar estados quânticos complexos, sendo este último um qubit por vez.

“Em nosso novo estudo, queríamos tentar enviar estados quânticos complexos representando vários qubits ao mesmo tempo”, disse Cleland. “Para fazer isso, carregamos o estado quântico a ser enviado para um ressonador e depois enviamos todo o estado do ressonador para a linha de transmissão, capturando-o com um ressonador remoto para análise posterior.”

Os ressonadores, dispositivos que exibem ressonância elétrica, possuem um número nominalmente infinito de níveis quânticos. Como resultado, eles são teoricamente capazes de armazenar estados muito complexos que codificam dados de vários qubits. Devido a essas características vantajosas, o uso de ressonadores para enviar e receber dados poderia aumentar a largura de banda disponível.

Em seu experimento, Cleland e seus colegas usaram dois qubits supercondutores, cada um conectado a um ressonador supercondutor sintonizável. Cada um desses ressonadores foi, por sua vez, conectado a uma linha de transmissão de 2 m de comprimento por meio de um dispositivo conhecido como acoplador variável.

“Usamos um qubit supercondutor para ‘programar’ em diferentes estados quânticos para seu ressonador companheiro, usando métodos que estabelecemos há muitos anos”, disse Cleland.

"Em seguida, ativamos o acoplamento do ressonador à linha de transmissão, liberando o estado quântico (possivelmente complexo) do ressonador para a linha de transmissão, onde é transmitido como um conjunto (possivelmente complexo) de fótons móveis emaranhados. Esses são então 'capturado' pelo outro ressonador usando o inverso do processo de liberação, e usamos o qubit desse ressonador para analisar o estado recebido. O sistema pode transmitir em qualquer direção igualmente bem (portanto, 'bidirecional')."

O projeto implementado pelos pesquisadores permitiu-lhes realizar a transmissão bidirecional de fótons de frequência de micro-ondas únicos, bem como a transmissão simultânea de um estado Fock de dois fótons |2> em uma direção com a transmissão de um estado Fock de um fóton |1> na outra direção, bem como a transmissão (separada) dos estados Fock de fótons sobrepostos |0>+|1> e |0>+|2>.

"Mostramos então a geração dos chamados estados N00N, representando o emaranhado entre os dois ressonadores, em última análise, realizando primeiro a geração do estado emaranhado |10>+|01> com um fóton 'compartilhado' entre os dois ressonadores, depois a geração do estado |20>+|02>, com dois fótons 'compartilhados' da mesma maneira", disse Cleland.

"No geral, nosso trabalho demonstra um caminho viável para a comunicação altamente eficiente de estados quânticos mais complexos do que apenas fótons únicos entre dois nós."

O novo ambiente de testes de comunicação quântica introduzido por Cleland e seus colegas poderá em breve abrir caminho para mais trabalhos e avanços. Em primeiro lugar, poderia ser usado para realizar computação distribuída, na qual cada nó em um circuito realiza cálculos e comunica eficientemente os resultados a outro nó. Além disso, poderia ser usado para demonstrar sistemas em que dois nós compartilham um estado complexo e cada um realiza manipulações distintas nesse estado.

“Nossa plataforma também poderia ser usada para comunicação quântica, onde, por exemplo, informações quânticas codificadas de alguma complexidade poderiam ser transmitidas em uma única transferência”, acrescentou Cleland.

"Estamos agora trabalhando em vários aspectos diferentes deste experimento; por exemplo, planejamos aumentar o número de nós (que eram dois em nosso experimento recente), aumentar a fidelidade do processo e explorar o que é possível se nós ter mais canais de comunicação em paralelo."

Mais informações: Joel Grebel et al, Comunicação multifóton bidirecional entre nós supercondutores remotos, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.047001. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.00124
Informações do diário: Natureza , Cartas de revisão física , Física da Natureza , arXiv

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