Íons emaranhados estabelecem recorde de longa distância – Physics World

Usar fibras ópticas e de luz para enviar informações do ponto A para B é hoje uma prática padrão, mas e se pudéssemos pular totalmente as etapas de “envio e transporte” e simplesmente ler as informações instantaneamente? Graças ao emaranhamento quântico, esta ideia já não é uma obra de ficção, mas sim um tema de investigação contínua. Ao entrelaçar duas partículas quânticas, como os íons, os cientistas podem colocá-las em um estado conjunto frágil, onde a medição de uma partícula fornece informações sobre a outra de maneiras que seriam classicamente impossíveis.

Investigadores da Universidade de Innsbruck, na Áustria, realizaram agora este complicado processo de emaranhamento em dois iões de cálcio presos em cavidades ópticas separadas por 230 m – o equivalente a cerca de dois campos de futebol – e ligados através de uma fibra óptica de 520 m de comprimento. Esta separação é um recorde para íons aprisionados e estabelece um marco na comunicação quântica e nos sistemas de computação baseados nessas partículas quânticas.

Rumo a uma rede quântica

As redes quânticas são a espinha dorsal dos sistemas de comunicação quântica. Entre suas atrações está a possibilidade de conectar o mundo com poder de computação e segurança sem precedentes, ao mesmo tempo em que aprimoram a detecção de precisão e a medição de tempo para aplicações que vão da metrologia à navegação. Essas redes quânticas consistiriam em computadores quânticos – os nós – conectados através da troca de fótons. Esta troca pode ser feita no espaço livre, da mesma forma que a luz viaja através do espaço, desde o Sol até aos nossos olhos. Alternativamente, os fótons podem ser enviados através de fibras ópticas semelhantes às usadas para transmitir dados para serviços de Internet, televisão e telefone.

Computadores quânticos baseados em íons aprisionados oferecem uma plataforma promissora para redes quânticas e comunicação quântica por dois motivos. Uma delas é que seus estados quânticos são relativamente fáceis de controlar. A outra é que esses estados são robustos contra perturbações externas que podem perturbar a informação transportada entre e nos nós.

Íons de cálcio presos

No trabalho mais recente, equipes de pesquisa lideradas por Tracy Northup e Ben Lanyon em Innsbruck aprisionou íons de cálcio em armadilhas Paul – uma configuração de campo elétrico que produz uma força no íon, confinando-o no centro da armadilha. Os íons de cálcio são atraentes porque possuem uma estrutura eletrônica simples e são robustos contra ruídos. “Eles são compatíveis com a tecnologia necessária para redes quânticas; e também são facilmente presos e resfriados, portanto adequados para redes quânticas escaláveis”, explica Maria Galli, um estudante de doutorado em Innsbruck que esteve envolvido no trabalho, descrito em Physical Review Letters.

Os pesquisadores começaram colocando um único íon preso dentro de cada uma das duas cavidades ópticas separadas. Essas cavidades são espaços entre pares de espelhos que permitem o controle preciso e a sintonia da frequência da luz que salta entre eles (ver imagem acima). Este controle rígido é crucial para ligar, ou entrelaçar, a informação do íon com a do fóton.

Após emaranhar o sistema íon-fóton em cada uma das duas cavidades – os nós da rede – os pesquisadores realizaram uma medição para caracterizar o sistema emaranhado. Embora a medição destrua o emaranhamento, os pesquisadores tiveram que repetir esse processo várias vezes para otimizar esta etapa. Os fótons, cada um emaranhado com um dos íons de cálcio, são então transmitidos através da fibra óptica que conecta os dois nós, localizados em edifícios separados.

Trocando informações

Embora os investigadores pudessem ter transferido os fotões no espaço livre, fazê-lo teria o risco de perturbar o emaranhado ião-fóton devido a várias fontes de ruído. As fibras ópticas, por outro lado, apresentam baixas perdas e também protegem os fótons e preservam sua polarização, permitindo maior separação entre os nós. No entanto, eles não são ideais. “Observamos alguns desvios na polarização. Por isso, a cada 20 minutos caracterizaríamos a rotação de polarização da fibra e a corrigiríamos.” diz Galli.

Os dois fótons trocam informações de seus respectivos sistemas íon-fóton por meio de um processo conhecido como medição do estado Bell do fóton (PBSM). Nesta técnica de detecção seletiva de estado, as funções de onda dos fótons são sobrepostas, criando um padrão de interferência que pode ser medido com quatro fotodetectores.

Ao ler os sinais medidos nos fotodetectores, os investigadores podem dizer se a informação transportada pelos fotões – o seu estado de polarização – é idêntica ou não. Pares correspondentes de resultados (estados de polarização horizontal ou vertical) consequentemente anunciam a geração de emaranhamento entre os íons remotos.

Compensações para um emaranhamento bem-sucedido

Os pesquisadores tiveram que equilibrar vários fatores para gerar emaranhamento entre os íons. Uma delas é a janela de tempo em que eles fazem a medição conjunta final dos fótons. Quanto maior for esta janela de tempo, maiores serão as hipóteses que os investigadores terão de detectar fotões – mas a desvantagem é que os iões ficam menos emaranhados. Isso ocorre porque eles pretendem capturar fótons que chegam ao mesmo tempo, e permitir uma janela de tempo mais longa pode levá-los a detectar fótons que realmente chegaram em momentos diferentes.

Rede quântica de três nós faz sua estreia

Os pesquisadores, portanto, precisaram verificar cuidadosamente quanto emaranhamento conseguiram alcançar em um determinado intervalo de tempo. Durante uma janela de tempo de 1 microssegundo, eles repetiram o experimento mais de 13 milhões de vezes, produzindo 555 eventos de detecção. Eles então mediram o estado dos íons em cada nó de forma independente para verificar a correlação, que foi de 88%. “Nossa etapa final de medição é, na verdade, medir o estado de ambos os íons para verificar se a correlação de estado esperada existe”, diz Galli. “Isso confirma que conseguimos criar um emaranhamento entre os dois íons.”

De um sprint a uma maratona

Dois campos de futebol podem parecer uma grande distância para criar um estado emaranhado quântico precário, mas a equipa de Innsbruck tem planos maiores. Ao fazer mudanças como aumentar o comprimento de onda dos fótons usados ​​para transmitir informações entre os íons, os pesquisadores esperam percorrer uma distância muito maior, de 50 km – mais longa do que uma maratona.

Embora outros grupos de pesquisa tenham demonstrado anteriormente o emaranhamento em distâncias ainda maiores usando átomos neutros, as plataformas baseadas em íons têm certas vantagens. Galli observa que as fidelidades das portas quânticas realizadas com íons aprisionados são melhores do que aquelas das portas quânticas realizadas em átomos, principalmente porque as interações entre os íons são mais fortes e mais estáveis ​​do que as interações entre os átomos e o tempo de coerência dos íons é muito mais longo.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/