Físicos das Universidades de Innsbruck, na Áustria, e Paris-Saclay, na França, combinaram pela primeira vez todas as principais funcionalidades de uma rede quântica de longa distância em um único sistema. Em um experimento de prova de princípio, eles usaram esse sistema para transferir informações quânticas por meio de um chamado nó repetidor a uma distância de 50 quilômetros – longe o suficiente para indicar que os blocos de construção de redes quânticas práticas e de grande escala poderão em breve ser dentro do alcance.
As redes quânticas têm dois componentes fundamentais: os próprios sistemas quânticos, conhecidos como nós, e uma ou mais conexões confiáveis entre eles. Tal rede poderia funcionar conectando os bits quânticos (ou qubits) de vários computadores quânticos para “compartilhar a carga” de cálculos quânticos complexos. Também poderia ser usado para comunicações quânticas superseguras.
Mas construir uma rede quântica não é tarefa fácil. Essas redes geralmente funcionam transmitindo fótons únicos que estão emaranhados; isto é, seu estado quântico está intimamente ligado ao estado de outra partícula quântica. Infelizmente, o sinal de um único fóton é facilmente perdido em longas distâncias. Os portadores de informação quântica também podem perder a sua natureza quântica num processo conhecido como decoerência. Aumentar estes sinais é, portanto, essencial.
Repetição sem hesitação ou desvio
Os repetidores quânticos podem fornecer esse impulso, mas não de uma forma direta. Como as regras da mecânica quântica restringem a cópia de estados emaranhados, os repetidores não podem simplesmente copiar o sinal que recebem e passá-lo para o próximo nó. Em vez disso, eles devem armazenar informações na chamada memória quântica e depois transferi-las usando um processo conhecido como medição de estado de Bell (BSM).
Um repetidor quântico totalmente capaz também precisa cumprir certos requisitos práticos. Em primeiro lugar, os sinais quânticos precisam estar em comprimentos de onda utilizados em telecomunicações, para que possam ser transmitidos através de fibras ópticas sem muitas perdas. Em segundo lugar, o tempo de armazenamento da memória quântica deve exceder o tempo necessário para gerar o emaranhamento. Finalmente, cada etapa do processo deve ser determinística, o que significa que os sinais precisam ser produzidos após cada etapa bem-sucedida.
Tudo em um
O trabalho mais recente, descrito em Physical Review Letters, combina todos os três requisitos práticos em um único experimento. Na sequência inicial de eventos, dois íons de cálcio aprisionados emitem, cada um, um fóton, formando dois pares fóton-íon emaranhados. Aqui, os íons aprisionados funcionam como qubits e seus estados quânticos são distribuídos pela rede quântica. Os fótons nesses pares são então convertidos para o comprimento de onda de telecomunicações de 1550 nm e enviados para dois nós diferentes por meio de fibras ópticas separadas de 25 km de comprimento. A distância total entre os nós é, portanto, de 50 km.
Sempre que um dos fótons atinge seu nó designado, o estado de seu íon emaranhado é armazenado nos estados de memória protegidos do íon. O sistema então faz repetidas tentativas de enviar um segundo fóton (emaranhado com o segundo íon) para o outro nó. Uma vez que os fótons são detectados em ambos os nós, os experimentadores realizam um BSM para transferir os estados iônicos para seus respectivos fótons emaranhados.
Para testar este protocolo, os pesquisadores o repetiram 44 vezes durante um período de 720 minutos, registrando 33 sucessos em 2053 tentativas de emaranhar fótons entre os nós remotos. Isso pode não parecer uma alta taxa de sucesso, mas a presença das memórias iônicas tornou o estabelecimento do emaranhamento 2 vezes mais provável. Isto indica que melhorias adicionais podem ser possíveis, até o limite em que ambos os detectores detectam com sucesso ambos os fótons e são restringidos apenas pela decoerência nos estados de memória dos íons.
Estendendo ainda mais a rede
Os pesquisadores também modelaram até que ponto seu método poderia ser levado. Levando em conta todos os diferentes fatores, eles mostraram que uma rede de 17 nós repetidores baseados em íons poderia estabelecer emaranhamento entre íons separados por 800 quilômetros. De acordo com o pesquisador principal Ben Lanyon da Universidade de Innsbruck, os membros da equipe planejam agora desenrolar as fibras que estão atualmente em seus laboratórios e enviar o emaranhado para fora do campus, para a rede comercial de fibra óptica existente. “Nossa visão é sair do laboratório e começar a construir redes quânticas de matéria e luz entre cidades e países”, conta ele. Mundo da física.
Novos repetidores quânticos podem permitir uma Internet quântica escalável
Ronald Hanson, físico da QuTech na Holanda que não esteve envolvido no trabalho, descreve o resultado como importante porque combina vários elementos necessários para um repetidor quântico. Em particular, ele observa que o experimento demonstra operação multi-qubit dentro do nó, interfaces qubit-fóton eficientes e compatibilidade de telecomunicações, com cada elemento trabalhando em alta fidelidade para fornecer um bom desempenho geral – a métrica mais relevante. Embora uma Internet quântica totalmente funcional ainda esteja um pouco distante, Hanson acredita que esta demonstração é um passo em direção a repetidores quânticos funcionais baseados em íons aprisionados.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/quantum-repeater-transmits-entanglement-over-50-kilometres/
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