Cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, fizeram avanços em três elementos-chave necessários para os sistemas de informação quântica.Entre as descobertas destaca-se uma técnica para converter fótons que transportam dados quânticos para comprimentos de onda que podem ser transmitidos por longas distâncias pelas redes de fibras ópticas.
Rede de informação quântica
Os avanços criam ferramentas importantes para a esperada construção de um protótipo de rede de informação quântica, que codifica os dados de forma segura por meio do entrelaçamento de átomos e fótons.
O objetivo de uma rede quântica é distribuir qubits entrelaçados - dois bits de dados relacionados que são ou "0" ou "1" - por longas distâncias. Os qubits viajavam como fótons pelas redes de fibras ópticas já existentes, que fazem parte do sistema de telecomunicações em nível mundial.
Devido às perdas na intensidade do sinal que ocorre ao longo das fibras ópticas, será necessário instalar repetidores (hubs) em intervalos regulares na rede para reforçar os sinais.
Para lidar com os qubits, esses repetidores vão precisar de uma memória quântica para receber o sinal fotônico, armazená-lo brevemente, e depois produzir um outro sinal de maior intensidade que vai transportar os dados para o nó seguinte, e assim por diante, até o seu destino final.
Conversão entre comprimentos de onda
Usando nuvens ultra-frias de átomos de rubídio, os pesquisadores desenvolveram um sistema eficiente para a conversão de fótons que carregam informações quânticas em comprimentos de onda infravermelhos para comprimentos de onda apropriado para a transmissão pelos sistemas de telecomunicações convencionais.
Os pesquisadores demonstraram que o sistema mantém as informações durante a conversão para os comprimentos de ondas das telecomunicações e de volta para os comprimentos de onda infravermelhos originais.
O segundo avanço foi no aumento da vida da informação quântica, que foi mantida por até 0,1 segundo. Isto é 30 vezes mais do que já havia sido conseguido antes e se aproxima da meta das memórias quânticas, que é de 1 segundo - o suficiente, acreditam os pesquisadores, para que a informação possa ser transmitida de forma confiável para o próximo nó da rede.
Por último, os pesquisadores desenvolveram a técnica necessária para converter de volta os fótons dos comprimentos de onda das telecomunicações para os comprimentos de onda infravermelhos, com baixo ruído e sem perder as informações codificadas quanticamente pelo entrelaçamento dos fótons.
A técnica de conversão óptica resolve um problema de longa data para a criação de redes quânticas: enquanto o comprimento de onda mais adequado para o armazenamento quântico é de 795 nanômetros, as fibras ópticas transmitem com menor absorção em 1300 nanômetros, ou 1,3 micrômetro.
Memória quântica
A conversão entre diferentes comprimentos de onda ocorre no interior de um sofisticado sistema que utiliza uma nuvem de átomos de rubídio densa o suficiente para maximizar a probabilidade de interação com os fótons que chegam.
Dois feixes separados de laser excitam os átomos de rubídio, que são mantidos em uma armadilha magneto-óptica cilíndrica de cerca de seis milímetros de comprimento.
O aparato gera um processo de mistura de quatro ondas que altera o comprimento de onda dos fótons que entram.
Assim que os fótons são convertidos em comprimentos de onda de telecomunicações, eles viajam através de uma fibra óptica e retornam para a armadilha magneto-óptica.
Eles são então convertidos de volta para comprimentos de onda infravermelhos para verificar se o emaranhamento quântico foi mantido.
A memória quântica é criada quando a luz de um laser é direcionada para a nuvem de átomos de rubídio. A energia excita os átomos, e os fótons produzidos pelos átomos no processo de excitação carregam informações sobre a própria excitação. São esses fótons, que carregam a informação quântica, que são introduzidos no sistema de conversão de comprimentos de onda.
"Este é o primeiro sistema em que uma memória quântica de longa duração foi integrada com a capacidade de transmitir em comprimentos de onda de telecomunicações", disse Brian Kennedy, um dos autores da pesquisa. "Nós temos agora os aspectos cruciais necessários para fazer um repetidor quântico".
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