Átomos formam os nós de uma rede quântica na qual a informação é transmitida por fótons individuais através de cabos de fibra óptica. [Imagem: Andreas Neuzner/MPQ]
Cientistas alemães demonstraram na prática o primeiro link de comunicação quântica de "longa distância".
Embora a rede demonstrada seja primária, com apenas dois nós, o experimento demonstra que a tecnologia atual já é capaz de viabilizar comunicações quânticas usando os tradicionais cabos de fibras ópticas.
Redes quânticas podem ser usadas não apenas para a transmissão de dados em altíssima velocidade, com uma largura de banda impensável para os padrões atuais, como também pode fazer isso com uma segurança quase absoluta.
E elas também podem ter usos mais fundamentais, como na criação de simuladores quânticos para estudar fenômenos físicos de qualquer natureza.
Stephan Ritter e seus colegas do Instituto Max Planck construíram uma rede que acopla dois átomos individuais, que representam dois nós de uma rede.
Teoricamente, a rede pode crescer à vontade, apenas acrescentando novos átomos como nós adicionais.
Nó atômico
Um átomo individual é a menor memória possível para a informação quântica, e os fótons individuais são os melhores mensageiros para trocar essas informações entre os átomos.
Contudo, a transferência eficiente da informação entre um átomo e um fóton exige uma forte interação entre os dois, o que não se pode obter com átomos no espaço livre.
Para funcionar como nós de uma rede quântica, os átomos são aprisionados em cavidades ópticas - dois espelhos altamente reflexivos, colocados a uma curta distância um do outro.
Quando um fóton entra nessa cavidade, ele é refletido pelo espelho milhares de vezes, o que garante seu acoplamento com o átomo-memória.
A troca de informações entre um átomo e um fóton baseou-se em feitos anteriores da mesma equipe, que construiu uma memória atômica e depois criou um transístor quântico com transparência induzida por luz. [Imagem: Gerhard Rempe]
Foram vários desafios para demonstrar o funcionamento da rede quântica: primeiro, o átomo tinha que ser mantido dentro da cavidade óptica pelo tempo suficiente, o que foi realizado com a ajuda de feixes de laser precisamente ajustados.
Em segundo lugar, foi preciso garantir que o átomo emitisse apenas um fóton de cada vez.
Depois, foi preciso provar que o sistema funciona como uma interface perfeita para armazenar a informação codificada em um único fóton.
Finalmente, foi necessário conectar dois desses nós de rede quântica, trocar informações usando cada fóton individual, aferir que a informação estava chegando com alta eficiência e, mais importante, que a informação estava chegando corretamente.
Tudo isto foi demonstrado em um experimento onde cada nó da rede quântica ficou em um laboratório vizinho do outro, a 21 metros de distância, conectados por um cabo de fibra óptica de 60 metros de comprimento.
Como a rede quântica funciona
Redes quânticas apresentam propriedades peculiares, não encontradas nas redes clássicas.
Isto se deve ao comportamento fundamentalmente diferente da informação que é trocada: enquanto um bit clássico representa 1 ou 0, um bit quântico pode assumir os dois valores ao mesmo tempo, um fenômeno chamado "superposição coerente". Uma medição, no entanto, faz o qubit colapsar para um dos dois valores.
No átomo-memória, a informação quântica é codificada em uma superposição coerente de dois níveis de energia.
Quando o átomo no nó A emite um fóton, estimulado por um pulso de luz de um laser de controle, o seu estado quântico é mapeado no estado de polarização do fóton.
Através da fibra óptica, o fóton atinge o nó B, onde ele é absorvido. Durante este processo, o estado quântico originalmente preparado no átomo A é transferido para o átomo no nó B.
Como resultado, A é capaz de receber o próximo fóton, enquanto B está pronto para enviar a informação armazenada de volta para o nó A ou para qualquer outro nó da rede.
Diagrama esquemático do funcionamento do primeiro protótipo de uma rede quântica. [Imagem: Ritter et al./Nature]
"Nós conseguimos provar que estados quânticos podem ser transferidos muito melhor do que seria possível com qualquer rede clássica," afirmou o Dr. Ritter.
Internet quântica e teletransporte
Em outro passo do experimento, os cientistas conseguiram gerar um entrelaçamento quântico entre os dois nós da rede.
O entrelaçamento, ou emaranhamento, é uma característica única para objetos quânticos, que os conecta de forma que suas propriedades ficam fortemente correlacionadas, não importando o quão longe eles sejam separados no espaço.
"Nós construímos o primeiro protótipo de uma rede quântica", comemora Ritter. "Conseguimos fazer a troca reversível de informação quântica entre os nós. Além disso, podemos gerar o entrelaçamento remoto entre os dois nós e mantê-lo por cerca de 100 microssegundos, enquanto a geração do entrelaçamento leva apenas cerca de um microssegundo."
Mostrando o potencial para a otimização da rede quântica, basta lembrar que, no final do ano passado, uma equipe da Dinamarca conseguiu preservar o entrelaçamento quântico por até uma hora:
"Um dia, isso pode não apenas tornar possível transmitir informações quânticas a distâncias muito grandes, mas também permitir uma internet inteiramente quântico," prevê Ritter.
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