Novo sistema aproxima a internet quântica das redes de telecomunicações

O potencial da computação quântica é enorme, mas as distâncias ao longo das quais partículas entrelaçadas conseguem transportar informação de forma fiável continuam a ser um obstáculo gigantesco. A mais pequena perturbação pode transformar a sua relação numa confusão desordenada.

Para contornar esta dificuldade, investigadores da computação quântica encontraram formas de estabilizar grandes extensões de fibra óptica ou recorreram a satélites para manter os sinais no quase vácuo do espaço.

Redes quânticas exigem mais do que transmissão

No entanto, uma rede assente em princípios quânticos requer mais do que a simples transmissão. Os cientistas têm tido dificuldade em alcançar um objectivo há muito perseguido: criar um sistema de unidades interligadas, ou «repetidores», capaz de armazenar e recuperar informação quântica, tal como os computadores clássicos fazem, para ampliar o alcance da rede.

Agora, uma equipa de investigadores desenvolveu um sistema de nós de processamento atómico que consegue reter os estados críticos produzidos por um ponto quântico em comprimentos de onda compatíveis com as actuais infra-estruturas de telecomunicações.

São necessários dois dispositivos: um destinado a gerar fotões e, potencialmente, a entrelaçá-los; e outro componente de «memória», capaz de guardar e recuperar, quando necessário, os essenciais estados quânticos contidos nesses fotões sem os perturbar.

«A ligação entre dois dispositivos fundamentais representa um avanço crucial para viabilizar as redes quânticas, e estamos muito entusiasmados por sermos a primeira equipa a conseguir demonstrá-lo», afirma Sarah Thomas, física de óptica quântica e autora principal, do Imperial College London (ICL).

Ponto quântico e memória atómica de rubídio

Parcialmente fabricado na Alemanha e montado no ICL, o sistema recentemente proposto coloca um ponto quântico semicondutor, capaz de emitir um único fotão de cada vez, numa nuvem de átomos de rubídio quente que funciona como memória quântica. Um laser liga e desliga o componente de memória, permitindo armazenar os estados dos fotões na nuvem de rubídio e libertá-los a pedido.

As distâncias através das quais este sistema específico conseguiria transmitir memórias quânticas ainda não foram avaliadas. Trata-se apenas de um protótipo de prova de conceito num laboratório subterrâneo, baseado em fotões que nem sequer estão entrelaçados. Ainda assim, esta realização poderá estabelecer uma base sólida para a internet quântica, superior à de depender exclusivamente de fotões entrelaçados.

«Esta demonstração inédita da recuperação, a pedido, de luz de pontos quânticos a partir de uma memória atómica é o primeiro passo crucial rumo a interfaces híbridas de luz e matéria quânticas para redes quânticas escaláveis», escreve a equipa no artigo científico publicado.

Há já algum tempo que os investigadores em computação quântica tentam associar fontes luminosas de fotões a nós de processamento que armazenam dados quânticos, mas com pouco êxito.

«Isto inclui-nos a nós: tentámos esta experiência duas vezes antes, com dispositivos de memória e de pontos quânticos diferentes, há mais de cinco anos, o que demonstra bem como é difícil de realizar», diz Patrick Ledingham, coautor do estudo e físico experimental de computação quântica da Universidade de Southampton, no Reino Unido.

Parte do problema residia no facto de os pontos quânticos emissores de fotões e os nós de «memória» atómica utilizados até agora estarem ajustados para comprimentos de onda distintos; as suas larguras de banda não eram compatíveis.

Em 2020, uma equipa chinesa tentou arrefecer átomos de rubídio para os induzir ao mesmo estado entrelaçado dos fotões, mas foi depois necessário converter esses fotões para uma frequência adequada à transmissão através de fibras ópticas - um processo que pode gerar ruído e desestabilizar o sistema.

Próximos passos para redes quânticas escaláveis

O sistema de memória concebido por Thomas e pelos seus colegas dispõe de uma largura de banda suficientemente ampla para interagir com os comprimentos de onda emitidos pelo ponto quântico e produz ruído suficientemente baixo para não perturbar fotões entrelaçados.

Embora seja uma conquista importante, os investigadores continuam a aperfeiçoar o protótipo. Para criarem dispositivos preparados para redes quânticas, pretendem prolongar os tempos de armazenamento, aumentar a sobreposição entre os pontos quânticos e os nós atómicos, e reduzir as dimensões do sistema. Também precisam de testar o sistema com fotões entrelaçados.

Por enquanto, continua a ser um fio ténue, mas um dia esta tecnologia - ou algo semelhante - poderá cobrir o mundo com uma teia de redes quânticas delicadas, mas estáveis.

O estudo foi publicado na Science Advances.