Uma atualização radical leva os links quânticos 200 vezes mais longe

Até recentemente, dois computadores quânticos só podiam se conectar através de um cabo de fibra ao longo de alguns quilômetros. Essa limitação significava que um sistema no campus South Side da Universidade de Chicago não poderia se comunicar com outro na Willis Tower, embora ambos estivessem localizados na mesma cidade. A distância era simplesmente grande demais para a tecnologia atual.

Um novo estudo publicado em 6 de novembro em Comunicações da Natureza pela Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) Asst. O professor Tian Zhong sugere que esse limite pode ser ampliado dramaticamente. O trabalho da sua equipa indica que as conexões quânticas poderiam, em teoria, estender-se até 2.000 km (1.243 milhas).

Com esse método, o computador quântico da UChicago, que antes lutava para chegar à Willis Tower, poderia, em vez disso, se conectar a um dispositivo localizado fora de Salt Lake City, Utah.

“Pela primeira vez, a tecnologia para construir uma Internet quântica em escala global está ao nosso alcance”, disse Zhong, que recebeu recentemente o prestigiado Prémio Sturge por esta investigação.

Por que a coerência quântica é importante

Para criar redes quânticas de alto desempenho, os pesquisadores devem emaranhar átomos e manter esse emaranhado à medida que os sinais viajam através de cabos de fibra. Quanto maior o tempo de coerência desses átomos emaranhados, mais distantes podem estar os computadores quânticos conectados.

No novo estudo, a equipe de Zhong conseguiu aumentar o tempo de coerência dos átomos de érbio individuais de 0,1 milissegundos para mais de 10 milissegundos. Num experimento, eles alcançaram 24 milissegundos de coerência. Em condições ideais, esta melhoria poderia permitir a comunicação entre computadores quânticos separados por cerca de 4.000 km, a distância entre UChicago PME e Ocaña, na Colômbia.

Construindo os mesmos materiais de uma nova maneira

A equipe não mudou para materiais desconhecidos ou exóticos. Em vez disso, eles reinventaram a forma como os materiais foram construídos. Eles produziram os cristais dopados com terras raras necessários para o emaranhamento quântico usando um método chamado epitaxia de feixe molecular (MBE), em vez do método padrão de Czochralski.

“A maneira tradicional de fazer este material é essencialmente através de um caldeirão”, disse Zhong, referindo-se à abordagem de Czochralski. “Você adiciona a proporção certa de ingredientes e depois derrete tudo. Ele vai acima de 2.000 graus Celsius e é resfriado lentamente para formar um cristal material.”

Posteriormente, os pesquisadores esculpem quimicamente o cristal resfriado para transformá-lo em um componente utilizável. Zhong compara isso a um escultor esculpindo mármore até que a forma final surja.

MBE conta com uma ideia muito diferente. Assemelha-se à impressão 3D, mas em escala atômica. O processo estabelece o cristal em camadas extremamente finas, formando eventualmente a estrutura exata necessária para o dispositivo.

“Começamos do nada e depois montamos este dispositivo átomo por átomo”, disse Zhong. “A qualidade ou pureza deste material é tão alta que as propriedades de coerência quântica destes átomos tornam-se excelentes.”

Embora o MBE tenha sido utilizado em outras áreas da ciência dos materiais, ele não havia sido aplicado anteriormente a este tipo de material dopado com terras raras. Para este projeto, Zhong colaborou com o especialista em síntese de materiais UChicago PME Asst. Prof. Shuolong Yang para adaptar o MBE às suas necessidades.

Instituto de Ciências Fotônicas Prof. Hugues de Riedmatten, que não fez parte do estudo, descreveu os resultados como um importante passo em frente. “A abordagem demonstrada neste artigo é altamente inovadora”, disse ele. “Isso mostra que uma abordagem de nanofabricação bem controlada e de baixo para cima pode levar à realização de qubits únicos de íons de terras raras com excelentes propriedades ópticas e de coerência de spin, levando a uma interface de fótons de spin de longa duração com emissão no comprimento de onda de telecomunicações, tudo em uma arquitetura de dispositivo compatível com fibra. Este é um avanço significativo que oferece um caminho escalável interessante para a produção de muitos qubits em rede de forma controlada. “

Preparando-se para testes do mundo real

A próxima fase do projeto é determinar se os tempos de coerência melhorados podem de fato suportar a comunicação quântica de longa distância fora dos modelos teóricos.

“Antes de implantarmos fibra de, digamos, Chicago a Nova York, vamos testá-la apenas em meu laboratório”, disse Zhong.

A equipe planeja conectar dois qubits alojados em refrigeradores de diluição separados (“geladeiras”) dentro do laboratório de Zhong usando 1.000 quilômetros de fibra enrolada. Esta etapa os ajudará a verificar se o sistema se comporta conforme o esperado antes de passar para escalas maiores.

“Agora estamos construindo o terceiro refrigerador em meu laboratório. Quando tudo estiver junto, isso formará uma rede local, e primeiro faremos experimentos localmente em meu laboratório para simular como será uma futura rede de longa distância”, disse Zhong. “Tudo isso faz parte do grande objetivo de criar uma verdadeira internet quântica e estamos alcançando mais um marco nesse sentido.”