Os pesquisadores são capazes de traduzir informações da luz em vibrações da membrana dentro de um tambor quântico. Crédito: Julian Robinson-Tait
Pesquisadores do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague desenvolveram uma nova maneira de criar memória quântica: um pequeno tambor pode armazenar dados enviados com luz em suas vibrações sônicas e depois encaminhar os dados com novas fontes de luz quando necessário novamente. Os resultados demonstram que a memória mecânica para dados quânticos pode ser a estratégia que abre caminho para uma Internet ultrassegura com velocidades incríveis.
Logo abaixo do antigo escritório de Niels Bohr há um porão onde mesas espalhadas são cobertas com pequenos espelhos, lasers e uma aglomeração de todos os tipos de dispositivos conectados por teias de fios e montes de fita adesiva. Parece que o projeto de uma criança foi longe demais, um projeto que seus pais tentaram em vão fazer com que limpassem.
Embora seja difícil para o olho destreinado discernir que estas tabelas são, na verdade, o lar de uma série de projetos de investigação líderes mundiais, o que é importante está a acontecer em mundos tão pequenos que nem mesmo as leis de Newton se aplicam. É aqui que os herdeiros físicos quânticos de Niels Bohr estão desenvolvendo as tecnologias quânticas mais avançadas.
Um desses projetos se destaca – pelo menos para os físicos – pelo fato de que um aparelho visível a olho nu é capaz de atingir estados quânticos. O tambor quântico é uma pequena membrana feita de material cerâmico semelhante ao vidro, com orifícios espalhados em um padrão nítido ao longo de suas bordas.
Fatos: como funciona
Antes do sinal de luz que transporta dados atingir a membrana do tambor quântico, um “laser auxiliar” garante que as vibrações naturais da membrana, provenientes das condições ambientais, sejam controladas. Isso estabiliza o diafragma com uma batida de tambor na frequência exata que ele mais gosta. Isso é chamado de ressonância.
O tambor torna-se muito sensível ao ressoar com o laser auxiliar, o que, entre outras coisas, permite detectar o sinal armazenado na luz que transporta dados com precisão quântica.
Assim que a luz cheia de dados atinge, seu sinal se torna parte das vibrações do tambor. Aqui, eles podem ser preservados de forma estável em uma espécie de memória sonora antes de serem enviados em um terceiro laser, que é disparado no tambor e espelhado em um cabo com dados do sinal de luz original codificados.
Quando o tambor é batido com a luz de um laser, ele começa a vibrar, e faz isso de forma tão rápida e imperturbável que a mecânica quântica entra em ação. Esta propriedade há muito tempo causou agitação ao abrir uma série de possibilidades tecnológicas quânticas.
Agora, uma colaboração entre várias áreas quânticas do Instituto demonstrou que o tambor também pode desempenhar um papel fundamental para a futura rede de computadores quânticos. Tal como os alquimistas modernos, os investigadores criaram uma nova forma de “memória quântica”, convertendo sinais de luz em vibrações sónicas.
Num artigo de pesquisa recém-publicado, os pesquisadores provaram que dados quânticos de um computador quântico emitidos como sinais de luz – por exemplo, através do tipo de cabo de fibra óptica já usado para conexões de internet de alta velocidade – podem ser armazenados como vibrações no tambor e depois encaminhado.
Configuração experimental. Crédito: Universidade de Copenhague
Experimentos anteriores demonstraram aos pesquisadores que a membrana pode permanecer em um estado quântico frágil. E com base nisso, eles acreditam que o tambor deve ser capaz de receber e transmitir dados quânticos sem “decoerir”, ou seja, perder seu estado quântico quando os computadores quânticos estiverem prontos.
“Isso abre grandes perspectivas para o dia em que os computadores quânticos possam realmente fazer o que esperamos que eles façam. A memória quântica provavelmente será fundamental para o envio de informações quânticas a distâncias. Portanto, o que desenvolvemos é uma peça crucial na base de uma Internet do futuro com velocidade quântica e segurança quântica”, afirma o pós-doutorado Mads Bjerregaard Kristensen, do Instituto Niels Bohr, principal autor do novo artigo de pesquisa.
Ultra-rápido, ultra-seguro
Ao transferir informações entre dois computadores quânticos à distância – ou entre muitos numa Internet quântica – o sinal será rapidamente abafado pelo ruído. A quantidade de ruído em um cabo de fibra óptica aumenta exponencialmente quanto mais longo for o cabo. Eventualmente, os dados não podem mais ser decodificados.
A Internet clássica e outras grandes redes de computadores resolvem este problema de ruído amplificando sinais em pequenas estações ao longo das rotas de transmissão. Mas para que os computadores quânticos apliquem um método análogo, eles devem primeiro traduzir os dados em sistemas numéricos binários comuns, como os usados por um computador comum.
Isso não vai funcionar. Isso tornaria a rede mais lenta e vulnerável a ataques cibernéticos, já que o probabilidades de a proteção clássica de dados ser eficaz em um futuro de computadores quânticos são muito ruins.
Fatos: Computadores e Dados Quânticos
Um computador clássico funciona como uma grande rede de interruptores que podem estar ligados ou desligados. Esses sistemas são chamados de binários devido aos dois estados que formam a base dos cálculos realizados pelo computador. Como as contas de um ábaco, os interruptores liga e desliga formam padrões de código binário.
Um computador quântico realiza cálculos com a ajuda da mecânica quântica e explora seus “interruptores quânticos”, ou qubits, podem estar em estados quânticos, incluindo superposição, onde estão simultaneamente ligados e desligados. Isso permite que um computador quântico gerencie rapidamente grandes quantidades de informações de uma forma que os computadores clássicos não conseguem.
Os dados quânticos transmitidos através de sinais de luz podem manter seu estado quântico desde que sejam suficientemente imperturbados. E o tambor quântico do Instituto Niels Bohr pode receber e encaminhar sinais sem perturbações.
“Em vez disso, esperamos que o tambor quântico seja capaz de assumir esta tarefa. Ele se mostrou muito promissor, pois é incrivelmente adequado para receber e reenviar sinais de um computador quântico. Portanto, o objetivo é estender a conexão entre computadores quânticos por meio de estações onde os tambores quânticos recebem e retransmitem sinais e, ao fazê-lo, evitar ruídos e, ao mesmo tempo, manter os dados em estado quântico”, diz Mads Bjerregaard Kristensen. Ele adiciona:
“Ao fazer isso, as velocidades e vantagens dos computadores quânticos, por exemplo, em relação a certos cálculos complexos, se estenderão pelas redes e pela Internet, pois serão alcançadas através da exploração de propriedades como superposição e emaranhamento que são exclusivas dos estados quânticos”, ele diz.
Se forem bem-sucedidas, as estações também serão capazes de estender conexões seguras quânticas, cujos códigos quânticos também poderão ser alongados pelo tambor. Estes sinais seguros poderiam ser enviados a várias distâncias, seja em torno de uma rede quântica ou através do Atlântico, na Internet quântica do futuro.
Mads Bjerregaard Kristensen é a principal força por trás da nova pesquisa. Crédito: Universidade de Copenhague
Flexível, prático e possivelmente inovador como RAM quântica
A pesquisa está sendo conduzida em outros lugares para uma alternativa onde uma fonte de luz que transporta dados é direcionada a um sistema atômico e desloca temporariamente os elétrons no átomomas o método tem suas limitações.
“Há limites para o que você pode fazer com um sistema atômico, já que não podemos projetar átomos ou a frequência da luz com que eles podem interagir conosco. Nosso sistema mecânico relativamente “grande” oferece mais flexibilidade. Podemos mexer e ajustar, de modo que, se novas descobertas mudarem as regras do jogo, haja uma boa chance de que o tambor quântico possa ser adaptado”, explica o professor Albert Schliesser, coautor do artigo de pesquisa.
“Para o bem ou para o mal, nossas habilidades como pesquisadores são principalmente o que definem os limites de quão bem tudo funciona”, ressalta.
Fatos: Conexões Protegidas por Quântica
O método envolve o envio de qubits de dados quânticos em um sinal de luz ultracurto: alguns fótons emaranhados podem ser usados para criar códigos quase inquebráveis.
Esses tipos de conexões também garantem que qualquer tentativa de hackear o acesso será exposta, já que a lei quântica diz que sempre que algo é observado, ele muda.
O tambor é a versão mais recente e mais séria da memória quântica mecânica, pois combina diversas propriedades: O tambor tem baixa perda de sinal – ou seja, a força do sinal de dados é bem retida. Ele também tem a enorme vantagem de ser capaz de lidar com todas as frequências de luz, incluindo a frequência usada nos cabos de fibra óptica sobre os quais a Internet moderna é construída.
O tambor quântico também é conveniente porque os dados podem ser armazenados e lidos sempre que necessário. E o tempo recorde de memória de 23 milissegundos já alcançado pelos pesquisadores torna muito mais provável que a tecnologia possa um dia se tornar um alicerce para sistemas de redes quânticas, bem como para o hardware em computadores quânticos.
“Saímos cedo com esta pesquisa. A computação e a comunicação quânticas ainda estão num estágio inicial de desenvolvimento, mas com a memória que obtivemos, pode-se especular que o tambor quântico um dia será usado como uma espécie de RAM quântica, uma espécie de “memória de trabalho” temporária para informação quântica. E isso seria inovador”, afirma o professor.
Fatos: Superposição e Emaranhamento
O livro de regras da natureza é diferente no mundo da mecânica quântica. Em particular, dois estados quânticos neutralizam as limitações do mundo comum, dando aos computadores quânticos poderes incríveis.
Sobreposição: Na mecânica quântica, a superposição permite que uma partícula esteja em vários estados ao mesmo tempo até ser medida. Por exemplo, um bit quântico (qubit) pode ser 0 e 1 ao mesmo tempo até ser medido e entrar em colapso para um determinado estado. Qubits aproveitam a superposição para realizar vários cálculos ao mesmo tempo.
Emaranhado: Einstein referiu-se a isso como “ação assustadora à distância”. Os estados de duas ou mais partículas emaranhadas estão intimamente relacionados. Uma mudança no estado de uma partícula afetará instantaneamente o estado das partículas com as quais ela está emaranhada, independentemente da distância. É esta propriedade que permite criar conexões seguras a partir de códigos que não podem ser decodificados sem uma partícula emaranhada como chave. A condição também abre a possibilidade de desenvolvimento do teletransporte quântico, onde a informação pode ser transferida sem qualquer transferência direta de partículas.
Referência: “Memória Optomecânica Eficiente e de Longa Vida para Luz” por Mads Bjerregaard Kristensen, Nenad Kralj, Eric C. Langman e Albert Schliesser, 5 de março de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.100802
