A mudança para um sistema de três nós é um salto quântico no design de rede.
Os cientistas chegaram um passo mais perto de uma internet quântica ao criar a primeira rede quântica multinodo do mundo.
Pesquisadores do centro de pesquisa QuTech na Holanda criaram o sistema, que é composto de três nós quânticos emaranhados pelas leis assustadoras da mecânica quântica que governam as partículas subatômicas. É a primeira vez que mais de dois bits quânticos, ou “qubits”, que fazem os cálculos na computação quântica, são vinculados como “nós” ou terminais de rede.
Os pesquisadores esperam que as primeiras redes quânticas desbloqueiem uma grande variedade de aplicativos de computação que não podem ser executados pelos dispositivos clássicos existentes – como computação mais rápida e criptografia aprimorada.
“Isso nos permitirá conectar computadores quânticos para obter mais poder de computação, criar redes inquebráveis e conectar relógios atômicos e telescópios com níveis de coordenação sem precedentes”, disse Matteo Pompili, membro da equipe de pesquisa da QuTech que criou a rede na Universidade de Tecnologia de Delft na Holanda, disse ao Live Science. “Existem também muitos aplicativos que não podemos realmente prever. Um poderia ser a criação de um algoritmo que execute as eleições de forma segura, por exemplo.”
Da mesma forma que o bit de computador tradicional é a unidade básica de informação digital, o qubit é a unidade básica de informação quântica. Como o bit, o qubit pode ser 1 ou 0, que representam duas posições possíveis em um sistema de dois estados.
Mas é aí que terminam as semelhanças. Graças às leis bizarras do mundo quântico, o qubit pode existir em uma superposição dos estados 1 e 0 até o momento em que é medido, quando ele entrará em colapso aleatoriamente em 1 ou 0. Este comportamento estranho é a chave ao poder da computação quântica, pois permite que um qubit execute vários cálculos simultaneamente.
O maior desafio em ligar esses qubits em uma rede quântica é estabelecer e manter um processo chamado de emaranhamento, ou o que Albert Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância”. É quando dois qubits ficam acoplados, ligando suas propriedades de forma que qualquer mudança em uma partícula causará uma mudança na outra, mesmo se eles estiverem separados por grandes distâncias.
Você pode emaranhar nós quânticos de várias maneiras, mas um método comum funciona primeiro envolvendo os qubits estacionários (que formam os nós da rede) com fótons, ou partículas de luz, antes de disparar os fótons uns contra os outros. Quando eles se encontram, os dois fótons também ficam emaranhados, emaranhando assim os qubits. Isso liga os dois nós estacionários separados por uma distância. Qualquer mudança feita em um é refletida por uma mudança instantânea no outro.
“Ação assustadora à distância” permite que os cientistas mudem o estado de uma partícula, alterando o estado de seu parceiro distante e enredado, efetivamente teletransportando informações através de grandes lacunas. Mas manter um estado de emaranhamento é uma tarefa difícil, especialmente porque o sistema emaranhado está sempre em risco de interagir com o mundo exterior e ser destruído por um processo chamado decoerência.
Isso significa, primeiro, que os nós quânticos devem ser mantidos em temperaturas extremamente baixas dentro de dispositivos chamados criostatos para minimizar as chances de que os qubits interfiram com algo fora do sistema. Em segundo lugar, os fótons usados no emaranhamento não podem viajar distâncias muito longas antes de serem absorvidos ou espalhados, – destruindo o sinal enviado entre dois nós.
“O problema é que, ao contrário das redes clássicas, você não pode amplificar sinais quânticos. Se você tentar copiar o qubit, você destrói a cópia original”, disse Pompili, referindo-se ao “teorema da não clonagem” da física, que afirma ser impossível para criar uma cópia idêntica de um estado quântico desconhecido. “Isso realmente limita as distâncias que podemos enviar sinais quânticos para dezenas de centenas de quilômetros. Se você deseja estabelecer comunicação quântica com alguém do outro lado do mundo, você precisará de nós de retransmissão entre eles.”
Para resolver o problema, a equipe criou uma rede com três nós, na qual os fótons essencialmente “passam” o emaranhamento de um qubit em um dos nós externos para um no nó do meio. O nó do meio tem dois qubits – um para adquirir um estado emaranhado e outro para armazená-lo. Uma vez que o emaranhamento entre um nó externo e o nó do meio é armazenado, o nó do meio emaranha o outro nó externo com seu qubit sobressalente. Com tudo isso feito, o nó do meio emaranha seus dois qubits, fazendo com que os qubits dos nós externos fiquem emaranhados.
Mas projetar esse estranho giro da mecânica quântica no clássico “quebra-cabeça da travessia do rio” foi o menor dos problemas dos pesquisadores – estranho, com certeza, mas não uma ideia muito complicada. Para fazer os fótons emaranhados e transmiti-los aos nós da maneira certa, os pesquisadores tiveram que usar um sistema complexo de espelhos e luz laser. A parte realmente difícil foi o desafio tecnológico de reduzir o ruído incômodo no sistema, bem como garantir que todos os lasers usados para produzir os fótons estivessem perfeitamente sincronizados.
“Estamos falando em ter de três a quatro lasers para cada nó, então você começa a ter 10 lasers e três criostatos que precisam funcionar ao mesmo tempo, junto com toda a eletrônica e a sincronização”, disse Pompili.
O sistema de três nós é particularmente útil, pois o qubit de memória permite que os pesquisadores estabeleçam o emaranhamento na rede nó por nó, em vez do requisito mais exigente de fazer tudo de uma vez. Assim que isso for feito, as informações podem ser transmitidas pela rede.
Alguns dos próximos passos dos pesquisadores com sua nova rede serão tentar transmitir essa informação, junto com o aprimoramento de componentes essenciais das habilidades de computação da rede para que possam funcionar como as redes de computadores normais. Todas essas coisas definirão a escala que a nova rede quântica poderá atingir.
Eles também querem ver se seu sistema permitirá que eles estabeleçam um emaranhamento entre Delft e Haia, duas cidades holandesas que estão separadas por cerca de 10 quilômetros.
“No momento, todos os nossos nós estão dentro de 10 a 20 metros [32 a 66 pés] um do outro”, disse Pompili. “Se você quer algo útil, precisa ir a quilômetros. Esta será a primeira vez que faremos uma ligação entre longas distâncias.”
Publicado em 06/05/2021 01h52
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