Hoi-Kwong Lo (ECE) e seus colaboradores realizaram um experimento de prova de princípio sobre um aspecto chave dos repetidores quânticos totalmente fotônicos. (Crédito: Jessica MacInnis)

O objetivo de uma “internet quântica” mundial poderia estar um passo mais perto graças a novos experimentos feitos por pesquisadores no Japão e no Canadá, que fizeram os primeiros repetidores quânticos que funcionam usando um protocolo totalmente fotônico. O esquema permite, de maneira importante, a medição adaptativa de Bell com reversão de tempo, que é um componente-chave para repetidores quânticos totalmente fotônicos. Baseia-se apenas em dispositivos ópticos e não requer nenhuma memória quântica ou correção quântica de erros.

A Internet, tal como a conhecemos, não foi concebida para ser segura, e hacking, invasões e espionagem são, infelizmente, par para o curso de hoje. Uma Internet quântica seria muito mais segura - além de ser muito mais rápida - já que explora as principais características da física quântica, como o entrelaçamento quântico.

Entrelaçamento e memórias quânticas

O entrelaçamento é uma característica única da mecânica quântica e permite que partículas com dois estados quânticos distintos compartilhem um relacionamento muito mais próximo do que a física clássica permite. Se duas partículas estão emaranhadas, então podemos conhecer o estado de uma partícula medindo o estado da outra. O próprio ato de medir o estado de um sistema quântico o perturba, porém, e um interceptador de terceiros cria instantaneamente um rastro detectável, impedindo-os de roubar qualquer informação - uma técnica ultra-segura conhecida como distribuição quântica de chaves.

A Internet quântica nos permitiria trocar informações seguramente representadas por estados de superposição quântica armazenados em memórias quânticas, que são muito diferentes da memória binária em computadores convencionais. Pesquisadores já criaram memórias quânticas de matéria com base em um conjunto atômico, um único átomo e uma armadilha de íons, para citar apenas três exemplos.

Repetidores e repetidores quânticos

A Internet conta com uma rede global de cabos de fibra ótica. Como os sinais de luz perdem sua intensidade à medida que percorrem longas distâncias por esses cabos, dispositivos chamados de repetidores, que aumentam e amplificam os sinais, são inseridos em intervalos regulares ao longo das linhas.

A versão quântica da Internet funcionaria substituindo esses repetidores por outros quânticos fotônicos baseados apenas em dispositivos ópticos, como elementos ópticos lineares, fontes de fótons únicos e detectores de fótons. Eles são diferentes dos repetidores quânticos convencionais feitos até agora que requerem dispositivos óticos e memórias quânticas de matéria, mas são difíceis de fazer porque precisam armazenar um estado quântico nos sites repetidores, o que também os torna muito mais propensos a erros. Eles também são impraticáveis no momento e são caros, já que frequentemente precisam operar em temperaturas criogênicas.

O protocolo de repetição quântica totalmente fotônico foi apresentado pela primeira vez em 2015 pelos teóricos Koji Azuma, da NTT Corporation , Kiyoshi Tamaki, da Universidade de Toyama, e Hoi-Kwong Lo, da Universidade de Toronto.

A medição adaptativa de Bell com reversão de tempo

Pesquisadores liderados por Takashi Yamamoto, da Universidade de Osaka, trabalhando com a equipe acima, apresentaram uma maneira de superar esses problemas e estão relatando a primeira demonstração experimental de um componente-chave do repetidor quântico totalmente fotônico - a medição adaptativa de Bell com reversão de tempo. .

“Todos os repetidores quânticos, sejam eles padrões ou totalmente fotônicos, precisam realizar a medição adaptativa da Bell”, explica Yamamoto. Ao contrário dos repetidores quânticos padrão que podem reter os estados quânticos de fótons em um sistema material até que a medição seja feita, todos os fotônicos implementam-no de uma maneira inversa no tempo usando emaranhamento quântico.

Demonstração de prova de princípio

“Em nosso experimento, nós preparamos fótons únicos emaranhados em um nó repetidor e confirmamos que o dispositivo apenas teleporta informações quânticas sem perdas, sem ser perturbado pela informação quântica perdida ao redor. Esta não é apenas a primeira demonstração de prova de princípio da medição de Bell adaptativa, mas também um princípio-chave de repetidores quânticos totalmente fotônicos ”.

Os pesquisadores conseguiram o seu resultado, substituindo as memórias quânticas no repetidor por um estado de gráfico fotônico, que é um estado entrelaçado de três fótons representado por um gráfico composto de nós e bordas. Neste estado, os nós correspondem a partículas e arestas conectando nós representam o emaranhamento quântico entre as partículas correspondentes.

Medição de TRA Bell

Estado sobrevivido é fielmente teleportado

“Por exemplo, para realizar eficientemente a comunicação quântica usando um repetidor quântico totalmente fotônico localizado no meio de uma fibra óptica ligada a dois usuários A e B, os usuários começam gerando entrelaçamento quântico entre seus próprios sistemas quânticos e fótons”, explica Yamamoto. . “Eles então enviam os fótons através da fibra para o repetidor quântico totalmente fotônico, onde o estado do gráfico fotônico é gerado. O estado é medido usando um interferômetro de fótons. ”

A equipe provou que sua técnica funciona gerando um estado gráfico de três fótons e detectando apenas fótons que sobrevivem com sucesso à sua jornada pelos canais ópticos sem nenhuma perda.

Para uma rede quântica totalmente óptica

O repetidor quântico totalmente fotônico tem muitas vantagens sobre os repetidores quânticos padrões, ele conta à Physics World . “Por um lado, poderia funcionar à temperatura ambiente. Em segundo lugar, não precisa de nenhuma interface quântica entre fótons e matéria, uma vez que depende exclusivamente de dispositivos ópticos. Finalmente, também é extremamente rápido, trabalhando a velocidades baixas, independentemente da distância de comunicação, e consome pouca energia. ”

Os pesquisadores, relatando seu trabalho na Nature Communications , dizem que agora planejam desenvolver geradores de fótons de estado gráfico em larga escala e circuitos fotônicos de perda ultrabaixa que permitem a medição de Bell adaptativa com reversão de tempo em um grande número de fótons. “Esses circuitos nos permitirão escalar uma rede quântica totalmente óptica”, diz Yamamoto.


Autora: Belle Dumé

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