Computadores, smartphones, GPS: a física quântica possibilitou muitos avanços tecnológicos. Agora está abrindo novos campos de pesquisa em criptografia (a arte de codificar mensagens) com o objetivo de desenvolver redes de telecomunicações ultra-seguras. Há um obstáculo, porém: após algumas centenas de quilômetros dentro de uma fibra óptica, os fótons que carregam os qubits ou “bits quânticos” (as informações) desaparecem. Eles, portanto, precisam de “repetidores”, uma espécie de “relé”, que são parcialmente baseados em uma memória quântica. Ao conseguir armazenar um qubit em um cristal (uma “memória”) por 20 milissegundos, uma equipe da Universidade de Genebra (UNIGE) estabeleceu um recorde mundial e deu um grande passo para o desenvolvimento de redes de telecomunicações quânticas de longa distância. Esta pesquisa pode ser encontrada na revista npj Quantum Information.
Desenvolvida durante o século 20, a física quântica permitiu aos cientistas descrever o comportamento de átomos e partículas, bem como certas propriedades da radiação eletromagnética. Ao romper com a física clássica, essas teorias geraram uma verdadeira revolução e introduziram noções sem equivalente no mundo macroscópico como a superposição, que descreve a possibilidade de uma partícula estar em vários lugares ao mesmo tempo, ou o emaranhamento, que descreve a capacidade de duas partículas afetar um ao outro instantaneamente, mesmo à distância (“ação assustadora à distância”).
As teorias quânticas estão agora no centro de muitas pesquisas em criptografia, uma disciplina que reúne técnicas para codificar uma mensagem. As teorias quânticas permitem garantir perfeita autenticidade e confidencialidade da informação (um qubit) quando ela é transmitida entre dois interlocutores por uma partícula de luz (um fóton) dentro de uma fibra óptica. O fenômeno da superposição permite ao emissor saber imediatamente se o fóton que transmite a mensagem foi interceptado.
Memorizando o sinal
No entanto, há um grande obstáculo ao desenvolvimento de sistemas de telecomunicações quânticas de longa distância: além de algumas centenas de quilômetros, os fótons se perdem e o sinal desaparece. Como o sinal não pode ser copiado ou amplificado – perderia o estado quântico que garante sua confidencialidade -, o desafio é encontrar uma forma de repeti-lo sem alterá-lo, criando “repetidores” baseados, principalmente, em uma memória quântica.
Em 2015, a equipe liderada por Mikael Afzelius, professor sênior do Departamento de Física Aplicada da Faculdade de Ciências da Universidade de Genebra (UNIGE), conseguiu armazenar um qubit carregado por um fóton por 0,5 milissegundos em um cristal (um “memória”). Esse processo permitiu que o fóton transferisse seu estado quântico para os átomos do cristal antes de desaparecer. No entanto, o fenômeno não durou o suficiente para permitir a construção de uma rede maior de memórias, pré-requisito para o desenvolvimento das telecomunicações quânticas de longa distância.
Registro de armazenamento
Hoje, no âmbito do programa European Quantum Flagship, a equipe de Mikael Afzelius conseguiu aumentar significativamente essa duração armazenando um qubit por 20 milissegundos. “Trata-se de um recorde mundial para uma memória quântica baseada em um sistema de estado sólido, neste caso um cristal. Até conseguimos atingir a marca de 100 milissegundos com uma pequena perda de fidelidade”, entusiasma-se o pesquisador. Como em seu trabalho anterior, os cientistas da UNIGE usaram cristais dopados com certos metais chamados “terras raras” (európio neste caso), capazes de absorver luz e depois reemiti-la. Esses cristais foram mantidos a -273,15°C (zero absoluto), pois além de 10°C acima dessa temperatura, a agitação térmica do cristal destrói o emaranhamento dos átomos.
“Aplicamos um pequeno campo magnético de um milésimo de Tesla ao cristal e usamos métodos dinâmicos de desacoplamento, que consistem em enviar intensas frequências de rádio ao cristal. O efeito dessas técnicas é desacoplar os íons de terras raras das perturbações do ambiente e aumentar o desempenho de armazenamento que conhecemos até agora em quase um fator de 40”, explica Antonio Ortu, pós-doutorando do Departamento de Física Aplicada da UNIGE. Os resultados desta pesquisa constituem um grande avanço para o desenvolvimento de redes de telecomunicações quânticas de longa distância. Eles também trazem o armazenamento de um estado quântico carregado por um fóton para uma escala de tempo que pode ser estimada por humanos.
Um sistema eficiente em 10 anos
No entanto, ainda há vários desafios a serem vencidos. “O desafio agora é estender ainda mais o tempo de armazenamento. Em teoria, bastaria aumentar o tempo de exposição do cristal às radiofrequências, mas, por enquanto, obstáculos técnicos para sua implementação por um período maior impedem ultrapassar os 100 milissegundos. No entanto, é certo que essas dificuldades técnicas podem ser resolvidas”, afirma Mikael Afzelius.
Os cientistas também terão que encontrar maneiras de projetar memórias capazes de armazenar mais de um único fóton por vez e, assim, ter fótons “emaranhados” que garantirão a confidencialidade. “O objetivo é desenvolver um sistema que funcione bem em todos esses pontos e que possa ser comercializado em dez anos”, conclui o pesquisador.
Publicado em 24/03/2022 09h32
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