Teletransporte quântico alcança 100 canais simultâneos em experiência inovadora

O teletransporte quântico está prestes a transformar o mundo.

Parece ficção científica: o estado quântico de um sistema pode ser transferido, ou «teletransportado», para outro sistema situado a grande distância, a uma velocidade próxima da da luz.

Mas é real e já foi demonstrado, embora a escalas relativamente pequenas. Para que os computadores quânticos possam vir a comunicar através de grandes redes, terão de dispor de uma forma de enviar muita informação quântica de uma só vez. Isso exige aumentar a escala do processo.

Um novo avanço representa o passo seguinte no percurso para aumentar a largura de banda quântica. Uma equipa de físicos liderada por Jietai Jing, da Universidade Normal do Leste da China, conseguiu realizar teletransporte quântico através de 100 canais simultâneos, ao teletransportar com sucesso a informação quântica codificada numa imagem de 100 píxeis.

«Tanto quanto sabemos, este é efetivamente o maior número de canais de teletransporte quântico endereçáveis de forma independente alguma vez demonstrado em simultâneo», afirmou Jing ao ScienceAlert.

«Em princípio, esta arquitetura poderá proporcionar uma interface flexível e de elevada capacidade para futuras redes de comunicação quântica.»

Como funciona o teletransporte quântico

O teletransporte quântico foi proposto pela primeira vez em 1993 e demonstrado experimentalmente apenas alguns anos depois.

Apesar do nome, não implica que a matéria desapareça de um local para reaparecer noutro. O que acontece é a transferência do estado quântico de um sistema para outro, recorrendo a um estado entrelaçado partilhado e a comunicação clássica.

Desde as primeiras experiências, os cientistas teletransportaram estados quânticos usando fotões, átomos e qubits de estado sólido, ao longo de distâncias superiores a 100 quilómetros, incluindo entre o solo e um satélite.

A distância, contudo, é apenas uma das dimensões em que o teletransporte quântico precisa de crescer. A capacidade é outra.

A maioria das experiências utilizou um único canal ou um número relativamente pequeno de canais multiplexados. Uma rede quântica de grande escala teria, pelo contrário, de lidar com muitos estados quânticos em paralelo.

Isso é difícil porque cada canal adicional necessita de um recurso entrelaçado correspondente, ajustado com precisão à informação quântica que está a ser teletransportada.

As abordagens convencionais também podem exigir deteção, processamento eletrónico e modulação separados para cada canal. Quanto mais canais se acrescentam, mais complexo se torna o equipamento.

Teletransporte quântico em 100 canais

Jing e os seus colegas abordaram o problema organizando 100 modos de luz espacialmente separados numa grelha de 10 por 10. Como cada modo podia ser controlado de forma independente, os investigadores dispunham, na prática, de 100 canais distintos de teletransporte quântico.

Em seguida, criaram uma grelha correspondente de luz entrelaçada e desenvolveram um sistema inteiramente ótico, capaz de processar os 100 canais em paralelo, sem necessitar de controlo eletrónico antecipativo separado para cada um.

«Ao ultrapassarmos estes dois desafios, realizámos o teletransporte quântico de 100 modos espaciais com fidelidades superiores aos respetivos limites clássicos», disse Jing.

O passo seguinte consistiu em testar o sistema. É aqui que surge a «imagem», embora isso não deva ser entendido como uma fotografia que desaparece de um local e aparece noutro, explicou o investigador.

«Na nossa experiência, a imagem é codificada numa matriz de 10 × 10 modos óticos espaciais. Cada modo pode ser considerado um píxel», afirmou.

«Mais precisamente, a informação transferida por teletransporte quântico é o estado quântico de variáveis contínuas do campo ótico em cada modo espacial, caracterizado pelas suas quadraturas de amplitude e de fase.

«O padrão de intensidade formado coletivamente por todos estes modos representava a letra “Q”.»

Por outras palavras, cada um dos 100 modos de luz funcionou de certa forma como um píxel, transportando parte da informação necessária para formar o Q. A equipa teletransportou em paralelo o estado quântico codificado em cada modo e reconstruiu o padrão no extremo recetor.

Fidelidade e capacidade da rede quântica

A reprodução do Q não foi, porém, o único sinal de que tinha ocorrido teletransporte quântico.

Os investigadores mediram também o grau de correspondência entre os estados quânticos recebidos e os estados à entrada. Essa correspondência é avaliada através de uma grandeza chamada fidelidade, que varia entre 0 e 1: quanto maior o valor, mais próxima é a correspondência.

Para o conjunto da imagem, a equipa obteve uma fidelidade média de 0,60. O valor pode não parecer especialmente impressionante, até ser comparado com o limite clássico correspondente: uma fidelidade média de 0,52, possível sem o auxílio do entrelaçamento quântico.

Os investigadores demonstraram que a fidelidade do teletransporte quântico ultrapassou o limite clássico nos 100 modos espaciais.

O resultado sugere que o teletransporte quântico não tem necessariamente de se tornar muito mais complexo à medida que se acrescentam canais.

«Em vez de implementar um sistema de teletransporte separado para cada canal, a nossa arquitetura permite o funcionamento em paralelo de toda a matriz de modos óticos espaciais», afirmou Jing.

«À medida que a capacidade e a complexidade das redes quânticas aumentam, esta distinção poderá tornar-se cada vez mais importante.»

Em última análise, esta abordagem poderá dar às redes quânticas algo de que necessitam muito: largura de banda, permitindo que diferentes informações quânticas circulem em paralelo por vários canais.

Por agora, no entanto, o sistema ainda pode crescer.

Segundo os investigadores, a dimensão da matriz de 10 por 10 foi limitada sobretudo pelo aproximadamente um watt de potência laser disponível para alimentar a experiência. Lasers mais potentes poderão permitir acrescentar muitos mais modos espaciais e, consequentemente, mais canais de teletransporte.

«Os nossos resultados estabelecem um excelente paradigma para alcançar uma comunicação quântica escalável e flexível», escrevem os investigadores no artigo científico.

Hoje, um Q. Amanhã… gatos?

Os resultados foram publicados na revista Physical Review Letters.

Este artigo foi alvo de verificação factual e edição por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se encontrar algum erro, por favor informe-nos.