A pesquisa com computação quântica e redes quânticas está ocorrendo em todo o mundo na esperança de desenvolver uma Internet quântica no futuro. Uma Internet quântica seria uma rede de computadores quânticos, sensores e dispositivos de comunicação que criarão, processarão e transmitirão estados quânticos e emaranhados e deverá melhorar o sistema de Internet da sociedade e fornecer certos serviços e seguranças que a Internet atual não possui.



Uma equipe de físicos da Stony Brook University e seus colaboradores deram um passo significativo em direção à construção de uma plataforma de teste de internet quântica, demonstrando uma medição de rede quântica fundamental que emprega memórias quânticas à temperatura ambiente. Suas descobertas são descritas em um artigo publicado na npj Quantum Information .

O campo da informação quântica combina essencialmente aspectos da física, matemática e computação clássica para usar a mecânica quântica para resolver problemas complexos muito mais rápido do que a computação clássica e para transmitir informações de uma maneira inviolável.

Embora a visão de um sistema de Internet quântica esteja a crescer e o campo tenha registado um aumento de interesse por parte dos investigadores e do público em geral, acompanhado por um aumento acentuado no capital investido, um protótipo real de Internet quântica não foi construído.

De acordo com a equipe de pesquisa de Stony Brook, o principal obstáculo para alcançar o potencial de tornar as redes de comunicação mais seguras, os sistemas de medição mais precisos e os algoritmos para certas análises científicas mais poderosos depende do desenvolvimento de sistemas capazes de transmitir informações quânticas e emaranhamento através de muitos nós. e em longas distâncias. Esses sistemas são chamados de repetidores quânticos e são um dos desafios mais complexos da pesquisa física atual.

Os pesquisadores desenvolveram capacidades avançadas de repetidores quânticos em seus experimentos mais recentes. Eles construíram e caracterizaram memórias quânticas que operam em temperatura ambiente e demonstraram que essas memórias têm desempenho idêntico, característica essencial quando o objetivo é construir redes repetidoras quânticas em larga escala que compreenderão várias dessas memórias.

Eles testaram o quão idênticas essas memórias são em sua funcionalidade, enviando estados quânticos idênticos para cada uma das memórias e realizando um processo chamado Interferência Hong-Ou-Mandel nas saídas das memórias, um teste padrão para quantificar a indistinguibilidade das propriedades dos fótons.

Eles demonstraram que o processo de armazenamento e recuperação de qubits ópticos em suas memórias quânticas à temperatura ambiente não distorce significativamente o processo de interferência conjunta e permite a troca de emaranhamento assistida por memória, um protocolo para distribuir o emaranhamento por longas distâncias e a chave para construir sistemas quânticos operacionais. repetidores.

"Acreditamos que este é um passo extraordinário em direção ao desenvolvimento de repetidores quânticos viáveis ​​e da Internet quântica", diz o autor principal Eden Figueroa, Ph.D., professor dotado de inovação presidencial de Stony Brook e diretor do Centro de Processamento Quântico Distribuído, que detém uma nomeação conjunta no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA.

Além disso, o hardware quântico desenvolvido pela equipe opera em temperatura ambiente, reduzindo significativamente o custo de operação e tornando o sistema muito mais rápido. Grande parte da pesquisa quântica não ocorre à temperatura ambiente, mas em temperaturas próximas do zero absoluto, que são mais caras, mais lentas e tecnicamente mais desafiadoras para a rede. Assim, a tecnologia de temperatura ambiente é promissora para a construção de redes quânticas em grande escala.

A equipe não apenas obteve resultados de memória quântica e comunicação em temperatura ambiente, mas também patenteou sua abordagem. Eles receberam patentes dos EUA relacionadas ao armazenamento quântico em temperatura ambiente e repetidores quânticos de alta taxa de repetição.

"Fazer com que essas frotas de memórias quânticas trabalhem juntas em um nível quântico e em um estado de temperatura ambiente é algo essencial para qualquer Internet quântica em qualquer escala. Até onde sabemos, esse feito não foi demonstrado antes, e nós esperamos desenvolver esta pesquisa", enfatiza Figueroa, observando que sua tecnologia patenteada lhes permite testar ainda mais a rede quântica.

Os coautores Sonali Gera, pesquisadora de pós-doutorado, e Chase Wallace, estudante de doutorado, ambos no Departamento de Física e Astronomia, trabalharam em estreita colaboração com Figueroa, juntamente com outros colegas, durante a experimentação que, de certa forma, visa efetivamente "amplificar "emaranhamento em distâncias, função essencial de um repetidor quântico.

“Como as memórias são capazes de armazenar fótons com um tempo de armazenamento definido pelo usuário, também conseguimos mostrar a sincronização temporal da recuperação dos fótons, apesar dos fótons chegarem às memórias em momentos aleatórios, que é outro recurso necessário para operar um sistema quântico. sistema repetidor", explica Gera.

Ela e Wallace acrescentam que alguns dos próximos passos na pesquisa da equipe são construir e caracterizar fontes de emaranhamento compatíveis com as memórias quânticas e projetar mecanismos para “anunciar” a presença de fótons armazenados em muitas memórias quânticas.

Mais informações: Sonali Gera et al, Interferência Hong-Ou-Mandel de pulsos de nível de fóton único armazenados em memórias quânticas independentes à temperatura ambiente, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-024-00803-2
Fornecido pela Stony Brook University