Cientistas acabaram de teletransportar informações usando luz

Seu estudo aparece em Comunicações da Natureza.

Pontos Quânticos como Pequenas Plataformas para Transferência de Informações

“Pela primeira vez em todo o mundo, conseguimos transferir informações quânticas entre fótons originados de dois pontos quânticos diferentes”, disse o Prof. Peter Michler, chefe do IHFG e porta-voz adjunto do Quantenrepeater.Net (QR.N) projeto de pesquisa. Para entender por que isso é importante, é útil observar como funciona a comunicação. Quer alguém envie uma mensagem do WhatsApp ou transmita um vídeo, os dados sempre dependem de zeros e uns. A comunicação quântica segue uma ideia semelhante, mas os fótons individuais atuam como portadores de informação. Um zero ou um é codificado através da direção de polarização do fóton (isto é, sua orientação nas direções horizontal e vertical ou em uma superposição de ambos os estados). Como os fotões se comportam de acordo com a mecânica quântica, a sua polarização não pode ser medida sem deixar vestígios detectáveis. Qualquer tentativa de interceptar a mensagem seria exposta.

Preparando Redes Quânticas para Fibra Óptica

Outra questão crítica envolve a compatibilidade com a infraestrutura atual da Internet. Uma Internet quântica acessível dependeria das mesmas fibras ópticas usadas agora. No entanto, a luz que viaja através da fibra só pode ser transmitida em distâncias limitadas. Os sinais convencionais são atualizados aproximadamente a cada 50 quilômetros usando um amplificador óptico. A informação quântica não pode ser amplificada ou copiada, o que significa que esta abordagem não funciona. Em vez disso, a física quântica torna possível transferir informações de um fóton para outro, desde que a própria informação permaneça desconhecida. Este fenômeno é chamado de teletransporte quântico.

Desenvolvimento de repetidores quânticos para transferência de longa distância

Para aproveitar as vantagens do teletransporte quântico, os cientistas estão projetando repetidores quânticos que podem renovar a informação quântica antes que ela desapareça na fibra. Esses repetidores funcionariam como nós essenciais em uma internet quântica. Criá-los foi difícil. O teletransporte exige que os fótons sejam quase idênticos em propriedades como tempo e cor. Produzir esses fótons é difícil porque eles vêm de fontes distintas. “Os quanta de luz de diferentes pontos quânticos nunca foram teletransportados antes porque é muito desafiador”, diz Tim Strobel, cientista do IHFG e primeiro autor do estudo.

Como parte do QR.N, sua equipe desenvolveu fontes de luz semicondutoras que emitem fótons muito próximos entre si. “Nestas ilhas de semicondutores, estão presentes certos níveis fixos de energia, tal como num átomo”, diz Strobel. Esta configuração permite a produção de fótons individuais com características bem definidas. “Nossos parceiros do Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais em Dresden desenvolveram pontos quânticos que diferem apenas minimamente”, acrescenta. Isto torna possível gerar fótons quase idênticos em dois locais separados.

Teletransportando informações entre fótons de diferentes fontes

Na Universidade de Stuttgart, os pesquisadores teletransportaram com sucesso o estado de polarização de um fóton de um ponto quântico para um fóton produzido por um segundo ponto quântico. Um ponto emite um único fóton e o outro gera um par de fótons emaranhado. “Enredados” significa que os dois fótons compartilham um único estado quântico, mesmo quando fisicamente separados. Um fóton do par viaja até o segundo ponto quântico e interage com seu fóton. Quando os dois se sobrepõem, a sua superposição transfere a informação do fóton original para o parceiro distante do par emaranhado.

Um elemento-chave dessa conquista foi o uso de “conversores quânticos de frequência”, dispositivos que ajustam pequenas incompatibilidades de frequência entre fótons. Esses conversores foram projetados por uma equipe liderada pelo Prof. Christoph Becher, especialista em óptica quântica da Universidade de Saarland.

Trabalhando para distâncias maiores e maior precisão

“Transferir informações quânticas entre fótons de diferentes pontos quânticos é um passo crucial para colmatar distâncias maiores”, explica Michler. Neste experimento, os dois pontos quânticos foram ligados por cerca de 10 metros de fibra óptica. “Mas estamos trabalhando para alcançar distâncias consideravelmente maiores”, diz Strobel.

Pesquisas anteriores já haviam mostrado que o emaranhado entre fótons de pontos quânticos pode sobreviver a uma transmissão de 36 quilômetros através do centro da cidade de Stuttgart. A equipe também pretende aumentar a taxa de sucesso do teletransporte, que atualmente está um pouco acima de 70%. Variações dentro de cada ponto quântico ainda causam pequenas inconsistências nos fótons.

“Queremos reduzir isso através do avanço das técnicas de fabricação de semicondutores”, diz Strobel. Simone Luca Portalupi, líder de grupo do IHFG e uma das coordenadoras do estudo, acrescenta: “Alcançar este experimento tem sido uma ambição de longa data – esses resultados refletem anos de dedicação e progresso científico. É emocionante ver como os experimentos focados em pesquisas fundamentais estão dando os primeiros passos em direção a aplicações práticas.”

Um esforço nacional para construir tecnologia de repetidor quântico

A pesquisa em repetidores quânticos recebe financiamento do Ministério Federal de Pesquisa, Tecnologia e Espaço (BMFTR) como parte do “Quantenrepeater.Net (QR.N) “projeto. Coordenado pela Saarland University, a rede QR.N inclui 42 parceiros de universidades, institutos de pesquisa e indústria que colaboram no desenvolvimento e teste de tecnologia de repetidor quântico em redes de fibra óptica. O programa se baseia nos resultados da iniciativa anterior “Quantenrepeater.Link (QR.X)”, também apoiada pelo BMFTR (anteriormente BMBF), que ajudou a estabelecer as bases para um repetidor quântico nacional de 2021 a 2024. Cientistas da Universidade de Stuttgart desempenharam um papel central em ambos os esforços.

Os experimentos de teletransporte quântico foram realizados sob a liderança do Instituto de Óptica de Semicondutores e Interfaces Funcionais (IHFG) com contribuições do Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais (IFW) em Dresden e do grupo de pesquisa de Óptica Quântica da Universidade de Saarland.