Engenheiros da Universidade Northwestern são os primeiros a demonstrar com sucesso o teletransporte quântico por meio de um cabo de fibra óptica que já transporta tráfego de Internet.

A descoberta, publicada na revista Optica , apresenta a nova possibilidade de combinar comunicação quântica com cabos de Internet existentes — simplificando muito a infraestrutura necessária para tecnologias avançadas de detecção ou aplicações de computação quântica.

“Isso é incrivelmente emocionante porque ninguém pensou que fosse possível”, disse Prem Kumar , da Northwestern , que liderou o estudo. “Nosso trabalho mostra um caminho em direção às redes quânticas e clássicas de próxima geração que compartilham uma infraestrutura de fibra óptica unificada. Basicamente, ele abre a porta para levar as comunicações quânticas para o próximo nível.”

Especialista em comunicação quântica, Kumar é professor de engenharia elétrica e de computação na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern , onde dirige o Centro de Comunicação Fotônica e Computação .

Como funciona

Limitado apenas pela velocidade da luz, o teletransporte quântico permite uma nova maneira ultrarrápida e segura de compartilhar informações entre usuários de rede distantes, onde a transmissão direta não é necessária. O processo funciona aproveitando o emaranhamento quântico, uma técnica na qual duas partículas são ligadas, independentemente da distância entre elas. Em vez de partículas viajando fisicamente para entregar informações, partículas emaranhadas trocam informações por grandes distâncias — sem carregá-las fisicamente.

“Nas comunicações ópticas, todos os sinais são convertidos em luz”, explicou Kumar. “Enquanto os sinais convencionais para comunicações clássicas tipicamente compreendem milhões de partículas de luz, a informação quântica usa fótons únicos.”

“Ao realizar uma medição destrutiva em dois fótons — um carregando um estado quântico e um emaranhado com outro fóton — o estado quântico é transferido para o fóton restante, que pode estar muito distante”, disse Jordan Thomas, um candidato a Ph.D. no laboratório de Kumar e o primeiro autor do artigo. “O fóton em si não precisa ser enviado por longas distâncias, mas seu estado ainda acaba codificado no fóton distante. O teletransporte permite a troca de informações por grandes distâncias sem exigir que a informação em si viaje essa distância.”

A chave: Encontrar a rota certa para evitar o trânsito

Antes do novo estudo de Kumar, muitos pesquisadores estavam incertos se o teletransporte quântico era possível em cabos que transportavam comunicações clássicas. Os fótons emaranhados se afogariam entre os milhões de outras partículas de luz. Seria como uma bicicleta frágil tentando navegar por um túnel lotado de caminhões pesados ​​em alta velocidade.

Kumar e sua equipe, no entanto, encontraram uma maneira de ajudar os fótons delicados a se afastarem do tráfego intenso. Após conduzir estudos aprofundados sobre como a luz se espalha dentro de cabos de fibra óptica, os pesquisadores encontraram um comprimento de onda de luz menos congestionado para colocar seus fótons. Então, eles adicionaram filtros especiais para reduzir o ruído do tráfego regular da Internet.

“Estudamos cuidadosamente como a luz é espalhada e colocamos nossos fótons em um ponto judicial onde esse mecanismo de espalhamento é minimizado”, disse Kumar. “Descobrimos que poderíamos realizar comunicação quântica sem interferência dos canais clássicos que estão simultaneamente presentes.”

Para testar o novo método, Kumar e sua equipe montaram um cabo de fibra óptica de 30 quilômetros de comprimento com um fóton em cada extremidade. Então, eles enviaram simultaneamente informações quânticas e tráfego de Internet de alta velocidade através dele. Finalmente, eles mediram a qualidade das informações quânticas na extremidade receptora enquanto executavam o protocolo de teletransporte fazendo medições quânticas no ponto médio. Os pesquisadores descobriram que as informações quânticas foram transmitidas com sucesso — mesmo com tráfego intenso de Internet passando rapidamente.

“Embora muitos grupos tenham investigado a coexistência de comunicações quânticas e clássicas em fibra, este trabalho é o primeiro a mostrar o teletransporte quântico neste novo cenário”, disse Thomas. “Esta capacidade de enviar informações sem transmissão direta abre a porta para aplicações quânticas ainda mais avançadas sendo realizadas sem fibra dedicada.”

Possibilidades futuras

Em seguida, Kumar planeja estender os experimentos para distâncias maiores. Ele também planeja usar dois pares de fótons emaranhados — em vez de um par — para demonstrar a troca de emaranhamento, outro marco importante que leva a aplicações quânticas distribuídas. Finalmente, sua equipe está explorando a possibilidade de realizar experimentos em cabos ópticos subterrâneos do mundo real, em vez de em bobinas no laboratório. Mas, mesmo com mais trabalho a fazer, Kumar está otimista.

“O teletransporte quântico tem a capacidade de fornecer conectividade quântica com segurança entre nós geograficamente distantes”, disse Kumar. “Mas muitas pessoas há muito tempo assumem que ninguém construiria infraestrutura especializada para enviar partículas de luz. Se escolhermos os comprimentos de onda corretamente, não teremos que construir uma nova infraestrutura. As comunicações clássicas e as comunicações quânticas podem coexistir.”

Fonte: Northwestern Now