Se os cientistas conseguirem desenvolver redes baseadas na física quântica, o potencial será enorme. Estas poderão reforçar a segurança das comunicações, interligar as capacidades dos computadores quânticos e ajudar a criar instrumentos de investigação de nova geração.
O entrelaçamento quântico e o desafio da transmissão
Contudo, existe um obstáculo fundamental: um fenómeno quântico denominado entrelaçamento, pelo qual dois objectos podem permanecer inseparavelmente ligados, independentemente da distância que os separa.
Quando se mede um dos objectos emparelhados, essa medição determina o resultado obtido no outro.
Até aqui, tudo muito quântico; o problema é fazer partículas entrelaçadas percorrerem os canais de comunicação de fibra óptica já existentes, algo extremamente difícil.
Fora das condições perfeitas de laboratório, os seus estados quânticos são facilmente distorcidos.
Agora, investigadores liderados por uma equipa do Instituto Nacional de Normas e Tecnologia dos EUA (NIST) conseguiram transmitir com êxito partículas de luz, ou fotões, através de 62 quilómetros de cablagem de rede existente, sem quebrar o seu entrelaçamento.
As conclusões foram publicadas na Revista de Comunicações e Redes Ópticas.
As partículas entrelaçadas existem numa «sobreposição» quântica que colapsa quando são medidas. (N. Hanacek/NIST)
«Eu chamaria a isto um teste de esforço dos sistemas de redes quânticas», afirma o físico Yicheng Shi, do NIST.
«Sujeitámo-lo a um teste extremo, num ambiente realmente ruidoso. Surpreendentemente, verificou-se que continuava a funcionar.»
Embora não constitua, em sentido estrito, uma distância recorde, a configuração torna-o particularmente relevante: grande parte dos cabos de fibra óptica usados na experiência estava instalada à superfície, e não no subsolo, suspensa entre postes junto à estrada que ligavam o NIST à Universidade de Maryland.
Esses cabos estão expostos ao vento, às variações de temperatura e às vibrações de tudo o que os rodeia, incluindo o trânsito e as aves que passam.
O físico do NIST Yicheng Shi junto do equipamento utilizado para distribuir fotões entrelaçados. (Megan King/NIST)
As condições não afectam os filmes em streaming e as videochamadas que compõem os dados da Internet clássica, mas os dados quânticos são claramente vulneráveis. O ambiente interfere com a polarização dos fotões - a direcção em que vibra o seu campo eléctrico -, que é onde está codificada a informação de entrelaçamento.
«É praticamente a pior ligação que se pode ter», diz o físico Oliver Slattery, do NIST.
Como o NIST estabilizou os fotões entrelaçados
Para contornar o problema da interferência, os investigadores recorreram a um sinal de luz laser como referência. Ao calcularem quanto essa luz laser sofria de torção, puderam aplicar as correcções necessárias aos fotões entrelaçados.
Foi necessário alternar ocasionalmente entre os fotões entrelaçados e a luz laser, mas isso ocupou apenas 7.2 percent do tempo de funcionamento da experiência. Os restantes 92.8 percent puderam ser destinados ao envio de informação quântica estabilizada.
«Os nossos resultados demonstram a viabilidade de distribuir fotões entrelaçados em polarização através de fibras em condições exigentes, o que representa um passo importante rumo à implementação prática de redes quânticas», escrevem os investigadores no artigo publicado.
Recentemente, feitos recordistas de entrelaçamento quântico percorreram 420 quilómetros de fibra óptica, mas estes resultados mais recentes foram obtidos em cenários reais muito caóticos.
«Embora as fibras ópticas aéreas sejam normalmente consideradas canais quânticos inadequados para transmitir fotões codificados em polarização ou fotões entrelaçados em polarização, mostramos que é possível alcançar uma distribuição estável de entrelaçamento de polarização se a ligação de fibra for estabilizada activamente», escrevem os investigadores.
Redes quânticas: melhorias necessárias e aplicações
Por mais encorajadores que sejam os resultados deste ensaio em condições reais, há ainda bastante trabalho a fazer. A taxa de transmissão de 200-1,500 fotões entrelaçados por segundo não é má, mas terá de aumentar para uma Internet quântica.
Os investigadores assinalaram que uma configuração de hardware mais rápida e algoritmos de software mais eficientes são duas possíveis melhorias.
Ainda assim, o estudo oferece mais provas de que as redes quânticas são uma tecnologia que vale a pena desenvolver. Uma possível aplicação seria ligar telescópios em dois locais distintos da Terra, permitindo que os fotões entrelaçados os façam funcionar, na prática, como um único instrumento gigante.
Estes sistemas também poderiam proporcionar à Internet uma melhoria de segurança quântica. Nós de rede separados por grandes distâncias poderiam partilhar um «código» secreto para verificar dados, que não poderia ser interceptado durante a transmissão, pois o código só é definido quando é verificado.
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«É uma demonstração de que os protocolos de redes quânticas podem funcionar em ambientes reais», afirma Shi.
A investigação foi publicada na Revista de Comunicações e Redes Ópticas.
Este artigo foi verificado por Clare Watson e editado por Clare Watson. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detectar algum erro, avise-nos.
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