Teletransportar imagens através de uma rede com segurança usando apenas luz
Transporte quântico de alta dimensão habilitado pela detecção não linear. Em nosso conceito, a informação é codificada em uma fonte coerente e sobreposta a um único fóton de um par emaranhado em um cristal não linear para conversão ascendente por geração de soma de frequência, esta última atuando como um detector de modo espacial não linear. A fonte brilhante é necessária para atingir a eficiência necessária para a detecção não linear. A informação e os fótons fluem em direções opostas:um dos fótons emaranhados de Bob é enviado para Alice e não possui informação, enquanto uma medição no outro, em coincidência com o fóton convertido, estabelece o transporte de informação através do link quântico. Alice não precisa conhecer essas informações para que o processo funcione, enquanto a não linearidade permite que o estado seja arbitrário e de dimensão e base desconhecidas. Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43949-x Comunicações da Natureza pesquisa publicada por uma equipe internacional da Wits e do ICFO- The Institute of Photonic Sciences, que demonstra o transporte semelhante ao teletransporte de "padrões" de luz - esta é a primeira abordagem que pode transportar imagens através de uma rede sem enviar fisicamente a imagem e um passo crucial para a realização de uma rede quântica para estados emaranhados de alta dimensão.
A comunicação quântica a longas distâncias é essencial para a segurança da informação e foi demonstrada com estados bidimensionais (qubits) em distâncias muito longas entre satélites. Isso pode parecer suficiente se compararmos com sua contraparte clássica, ou seja, enviar bits que podem ser codificados em 1s (sinal) e 0s (sem sinal), um de cada vez.
No entanto, a óptica quântica permite-nos aumentar o alfabeto e descrever com segurança sistemas mais complexos numa única imagem, como uma impressão digital única ou um rosto.
“Tradicionalmente, duas partes em comunicação enviam fisicamente as informações de uma para a outra, mesmo no domínio quântico”, diz o Prof. Andrew Forbes, PI principal da Wits University.
"Agora, é possível teletransportar informações para que elas nunca viajem fisicamente pela conexão - uma tecnologia de 'Star Trek' tornada real." Infelizmente, o teletransporte até agora só foi demonstrado com estados tridimensionais (imagine uma imagem de três pixels), necessitando, portanto, de fótons emaranhados adicionais para alcançar dimensões mais altas.
Nesta pesquisa, a equipe realizou a primeira demonstração experimental do transporte quântico de estados de alta dimensão com apenas dois fótons emaranhados como recurso quântico, o que resultou na informação parecendo ser “teletransportada” do remetente para o receptor. Para fazer o avanço, a equipe usou um detector óptico não linear que evita a necessidade de fótons adicionais, mas funciona para qualquer “padrão” que precise ser enviado.
Eles relatam um novo estado da arte de 15 dimensões, com o esquema escalável para dimensões ainda maiores, abrindo caminho para conexões de redes quânticas com alta capacidade de informação.
Aplicações práticas em ambiente bancário
Imagine um cliente que deseja enviar informações confidenciais a um banco – talvez uma impressão digital. Na comunicação quântica tradicional, a informação deve ser enviada fisicamente do cliente para o banco, sempre com risco de interceptação (mesmo que seja segura). No esquema de transporte quântico recentemente proposto, o banco envia um único fóton (um de um par emaranhado) sem nenhuma informação ao cliente, que o sobrepõe em um detector não linear com a informação a ser enviada.
Com isso, a informação aparece no banco exatamente como se tivesse sido teletransportada para lá. Nenhuma informação é enviada fisicamente entre as duas partes, portanto a interceptação é infrutífera, enquanto o vínculo quântico que conecta as partes é estabelecido pela troca de fótons quânticos emaranhados.
“Este protocolo tem todas as características do teletransporte, exceto por um ingrediente essencial:requer um feixe de laser brilhante para tornar o detector não linear eficiente, para que o remetente possa saber o que deve ser enviado, mas não precisa saber”, explica Forbes. .
“Nesse sentido, não é estritamente teletransporte, mas poderia ser no futuro se o detector não linear se tornasse mais eficiente”. Mesmo tal como está agora, abre um novo caminho para conectar redes quânticas, introduzindo a óptica quântica não linear como um recurso.
"Esperamos que este experimento que mostra a viabilidade do processo motive novos avanços na comunidade de óptica não linear, ampliando os limites em direção a uma implementação quântica completa", disse o Dr. Adam Vallés do ICFO (Barcelona), um dos líderes do projeto que trabalhou no experimento durante sua bolsa de pós-doutorado na Wits.
“Temos que ser cautelosos agora, pois esta configuração não poderia impedir que um remetente trapaceiro guardasse cópias melhores das informações para serem teletransportadas, o que significa que poderíamos acabar com muitos clones do Sr. Spock no mundo de Star Trek, se é isso que Scotty desejado."
“Do ponto de vista prático, a configuração que demonstramos atualmente já pode ser usada para estabelecer um canal seguro de alta dimensão para comunicações quânticas entre duas partes, desde que o protocolo não precise ser alimentado com fótons únicos, como seria o caso dos repetidores quânticos."
Reconhecendo o Ph.D. pesquisa
Vallés acrescenta:"Realizar esses experimentos de prova de conceito com a tecnologia atualmente disponível tem sido uma jornada interessante, e devemos agradecer à Dra. Bereneice Sephton, da Wits, por sua determinação e pelo conjunto abrangente de habilidades necessárias para domar uma fera tão experimental. Isso é um verdadeiro esforço de laboratório pelo qual ela deve ser elogiada."
Forbes ecoa o sentimento:"Este foi um experimento heróico, e a Dra. Bereneice Sephton deve ser reconhecida, pois foi ela quem fez o sistema funcionar e realizou os experimentos principais."
A equipe planeja continuar trabalhando nessa direção, com o próximo passo focando no transporte quântico através de uma rede de fibra óptica.
Mais informações: Bereneice Sephton et al, Transporte quântico de informações espaciais de alta dimensão com um detector não linear, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43949-x Informações do diário: Comunicações da Natureza
