Primeiro processador quântico no espaço enfrenta grandes desafios

O espaço enfrenta um enorme problema de dados.

Muitos satélites em órbita terrestre passam praticamente todo o tempo a recolher dados brutos. Enviá-los para o solo, porém, é difícil devido à largura de banda disponível para a ligação descendente e à frequência com que os satélites conseguem comunicar com as estações recetoras.

Uma possível solução seria processar esses dados brutos diretamente a bordo dos satélites.

Uma equipa de físicos liderada por Philip Walther, da Universidade de Viena, demonstrou agora uma forma ousada de o fazer: pela primeira vez, um processador quântico funcionou no espaço.

Chegar a esse ponto, contudo, não foi propriamente fácil.

Um processador quântico preparado para o espaço

Os computadores quânticos são extremamente delicados. Os estados quânticos de que dependem são extraordinariamente sensíveis ao ambiente: calor, vibrações, interferência eletromagnética e outras perturbações podem alterá-los, introduzindo erros ou destruindo o comportamento quântico necessário ao funcionamento do computador.

Conseguir que tudo funcione é difícil mesmo nas condições laboratoriais mais controladas. O espaço, como seria de esperar, é um ambiente muito menos tolerante.

O processador criado por Walther e pelos seus colegas utiliza partículas de luz, ou fotões, para transportar informação quântica. No seu núcleo existe uma fonte que gera fotões aos pares e os encaminha para uma rede programável de percursos óticos gravados num minúsculo chip de vidro.

Para que o processador tire partido do comportamento quântico dos fotões, estes têm de ser indistinguíveis entre si. Mesmo pequenas diferenças em propriedades como o tempo de chegada, a polarização ou o comprimento de onda podem permitir distingui-los, comprometendo a interferência de que depende a computação.

Tudo isto tinha de acontecer num satélite a circular em torno da Terra a 28 000 quilómetros por hora, sob a radiação intensa do Sol sem qualquer filtragem - e só depois de o aparelho sobreviver ao enorme esforço mecânico do lançamento do foguetão.

A equipa teria de resolver os problemas um a um, começando pelo lançamento.

Do lançamento aos desafios em órbita

Um lançamento de foguetão é uma forma brutal de transportar um dispositivo ótico delicado: este é preso a um enorme tubo pesado, feito de material reforçado, e acelerado através da atmosfera terrestre até atingir velocidade orbital. Nem o sistema de suspensão mais robusto que se pudesse construir impediria vibrações violentas.

A melhor solução passou, por isso, por reforçar o próprio instrumento.

Os investigadores fixaram os componentes mais sensíveis em placas de base de titânio resistentes e reforçaram com resina epóxi as frágeis fibras óticas que entram e saem do chip fotónico de vidro. Em termos simples, tudo o que pudesse abanar, mas tivesse de permanecer imóvel, foi firmemente colado no lugar.

Depois, sujeitaram o conjunto a fortes abalos.

Antes do lançamento, os protótipos passaram por testes de vibração e de choque concebidos para reproduzir as exigências de uma viagem de foguetão. Numa das frequências de ressonância, o requisito de resposta ao choque atingiu cerca de 1 500 vezes a gravidade terrestre.

A solução funcionou: os componentes óticos saíram dos testes sem degradação mensurável do desempenho.

A 23 de junho de 2025, o computador foi lançado num Falcon 9 para uma órbita terrestre baixa, a cerca de 510 quilómetros de altitude. Mas o lançamento acabaria por ser o menor dos seus problemas.

As dificuldades começaram quase de imediato. O instrumento partiu com seis díodos de avalanche de fotão único em silício (SPAD), destinados a detetar os fotões que saem do circuito fotónico - uma função essencial para a experiência. No entanto, apenas três se revelaram utilizáveis.

Depois surgiu outro problema: o Sol.

Os detetores de fotões restantes eram suficientemente sensíveis para que a luz solar gerasse um forte sinal de fundo, sujeito a grandes flutuações, que abafava as medições delicadas que os investigadores procuravam realizar.

Felizmente, o satélite não passava toda a órbita iluminado pelo Sol. Aproximadamente a cada 92 minutos, entrava na sombra da Terra, onde o ruído de fundo diminuía drasticamente. Isso dava à equipa uma janela de cerca de 30 minutos por órbita para efetuar as medições mais sensíveis.

A sombra terrestre resolvia o problema da luz solar, mas pouco podia fazer contra a radiação da órbita terrestre baixa: a concentração de protões e eletrões energéticos aprisionados nos cinturões de Van Allen.

Os investigadores também tinham previsto esse obstáculo e envolveram a carga útil numa blindagem de alumínio de grau aeroespacial com um centímetro de espessura.

A proteção foi bastante eficaz contra os eletrões, mas os protões são muito mais difíceis de bloquear sem acrescentar uma quantidade considerável de peso.

Como se receava, os detetores de fotões que ainda funcionavam começaram a deteriorar-se. Ao fim de 52 dias em órbita, a taxa de contagens no escuro - falsas deteções produzidas mesmo quando não chega qualquer fotão - aumentou de forma evidente.

A equipa conseguiu compensar parcialmente o problema, ajustando a tensão fornecida aos detetores e recuperando parte do sinal perdido.

Mas havia ainda o laser.

Os investigadores tinham utilizado um laser comercial, modificado para resistir às exigências mecânicas e térmicas do espaço. A sua caixa era até feita de Kovar revestido a ouro, uma liga escolhida em parte por se expandir muito pouco com as variações de temperatura.

Infelizmente, no interior havia um adesivo que não estava tão bem preparado para o espaço.

No vácuo, o adesivo começou a libertar gases. As moléculas libertadas acumularam-se nos componentes óticos próximos, formando uma película rica em carbono. Nos testes, essa contaminação fez a potência de saída do laser cair de cerca de 20 miliwatts para apenas 4 miliwatts ao longo de uma semana.

Quando os cientistas identificaram o problema, o modelo destinado ao voo já estava integrado no Falcon 9. Era tarde demais.

Já não havia oportunidade para substituir o adesivo ou limpar os componentes óticos contaminados. E, tal como os testes tinham previsto, a potência do laser continuou a diminuir durante a operação no espaço, agravando a perda de sinal dos detetores atingidos pela radiação.

Apesar de todos estes contratempos consideráveis, a equipa conseguiu pôr o aparelho a funcionar.

A interferência quântica observada em órbita

Para realizar operações quânticas, os fotões que percorrem os circuitos do instrumento têm de ser indistinguíveis. Quando dois desses fotões entram, exatamente ao mesmo tempo, por lados opostos da mesma junção ótica, acontece algo caracteristicamente quântico.

Em vez de cada um seguir o seu próprio percurso através da junção, os dois fotões interferem entre si e tendem a sair juntos.

Isto produz o que os físicos chamam uma queda de Hong-Ou-Mandel: à medida que os fotões se tornam mais semelhantes, diminui subitamente o número de vezes que os detetores os registam a sair separados.

Foi precisamente isso que os investigadores observaram no espaço.

Para testar o efeito, alteraram gradualmente a temperatura do cristal que produz os pares de fotões. Essa alteração modifica os comprimentos de onda dos fotões, permitindo à equipa ajustá-los até os seus espetros coincidirem e os fotões se tornarem indistinguíveis.

Os testes realizados na Terra indicavam que o ponto ideal deveria situar-se por volta dos 32,5 graus Celsius.

De facto, quase exatamente a essa temperatura, a taxa de coincidências caiu abruptamente, produzindo uma queda de Hong-Ou-Mandel nítida.

A sua visibilidade - essencialmente uma medida da intensidade da interferência entre os fotões - foi de 0.908, acima do limite clássico de 0.5. Contudo, a incerteza considerável da medição significou que o resultado ultrapassou esse limiar por 2.14 desvios-padrão.

Os investigadores reproduziram ainda a queda de forma independente em dois dias diferentes. Além disso, quando reconfiguraram deliberadamente o processador para um estado em que o efeito não deveria ocorrer, a queda desapareceu.

Apesar dos problemas técnicos, o instrumento da equipa estava a gerar e a manipular a interferência não clássica da qual depende a computação quântica fotónica.

Consegue já processar dados de satélites? Ainda não, de todo. O processador representa, porém, um teste essencial que permitirá aos investigadores aperfeiçoar os seus projetos e construir instrumentos mais robustos para o ambiente orbital.

“Os resultados aqui apresentados são o primeiro passo no caminho que estamos a seguir, para permitir a classificação e a compressão no próprio equipamento fotónico, enviando para o solo apenas o produto da inferência”, escrevem os investigadores.

“Este progresso faria dos processadores em órbita o complemento natural das ligações quânticas já estabelecidas entre os satélites e o solo: os nós e os canais definem em conjunto uma arquitetura distribuída com cobertura global e acesso de baixa latência, na qual a computação quântica deixa de estar confinada a ambientes laboratoriais controlados e passa a ser implementada em grande escala por toda a rede.”

O artigo científico, que ainda não foi sujeito a revisão por pares, está disponível no servidor de pré-publicações arXiv.

Este artigo foi verificado e editado por Peter Dockrill. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos humanos. Se detetar um erro, agradecemos que nos informe.