Mapa mostrando o caminho da rede quântica de dois nós através de Cambridge e Boston, Massachusetts. Crédito: Can Knaut via OpenStreetMap
Físicos demonstram a primeira rede de computadores quânticos em área metropolitana em Boston.
Imaginar uma Internet quântica capaz de transmitir globalmente informações à prova de hackers por meio de fótons sobrepostos em diferentes estados quânticos é uma coisa; demonstrar sua viabilidade no mundo real é outra bem diferente.
Foi exatamente isso que os físicos de Harvard fizeram. Eles usaram a fibra de telecomunicações existente na área de Boston em uma demonstração da maior distância de fibra do mundo entre dois nós de memória quântica até o momento. Pense nisso como uma Internet simples e fechada entre os pontos A e B, transportando um sinal codificado não por bits clássicos como a Internet existente, mas por partículas individuais de luz perfeitamente seguras.
Trabalho inovador em redes quânticas
O trabalho inovador, publicado em 15 de maio na revista Naturezafoi liderado por Mikhail Lukin, professor da Universidade Joshua e Beth Friedman no Departamento de Física, em colaboração com os professores de Harvard Marko Lončar e Hongkun Park, todos membros da Harvard Quantum Initiative, ao lado de pesquisadores da Amazon Web Services.
A equipe de Harvard estabeleceu os ingredientes práticos da primeira Internet quântica emaranhando dois nós de memória quântica separados por um link de fibra óptica implantado em um circuito de aproximadamente 35 quilômetros através de Cambridge, Somerville, Watertown e Boston. Os dois nós estavam localizados a um andar de distância no Laboratório de Ciência e Engenharia Integradas de Harvard.
Inovações Tecnológicas em Memória Quântica
A memória quântica, análoga à memória clássica de computador, é um componente importante de um sistema interconectado. Computação quântica futuro porque permite operações de rede complexas e armazenamento e recuperação de informações. Enquanto outras redes quânticas foram criadas no passado, a rede de fibra da equipe de Harvard é a mais longa entre dispositivos que podem armazenar, processar e mover informações.
Cada nó é um computador quântico muito pequeno, feito de uma lasca de diamante que possui um defeito em sua estrutura atômica chamado centro de lacunas de silício. Dentro do diamante, estruturas esculpidas menores que um centésimo da largura de um fio de cabelo humano melhoram a interação entre o centro de lacunas de silício e a luz.
O centro de lacunas de silício contém dois qubits, ou bits de informação quântica: um na forma de um spin de elétron usado para comunicação, e o outro em um spin nuclear de vida mais longa usado como um qubit de memória para armazenar emaranhamento (o centro quântico-mecânico). propriedade que permite que as informações sejam perfeitamente correlacionadas em qualquer distância). Ambas as rotações são totalmente controláveis com pulsos de microondas. Esses dispositivos de diamante – de apenas alguns milímetros quadrados – estão alojados dentro de unidades de refrigeração de diluição que atingem temperaturas de -459 Fahrenheit.
Desafios e soluções em redes quânticas
O uso de centros de lacunas de silício como dispositivos de memória quântica para fótons únicos tem sido um programa de pesquisa de vários anos em Harvard. A tecnologia resolve um grande problema na teorizada internet quântica: perda de sinal que não pode ser aumentada pelas formas tradicionais. Uma rede quântica não pode usar repetidores de sinal de fibra óptica padrão porque a cópia de informações quânticas arbitrárias é impossível – tornando a informação segura, mas também muito difícil de transportar por longas distâncias.
Os nós de rede baseados em centros de vagas de silício podem capturar, armazenar e emaranhar bits de informações quânticas enquanto corrigem a perda de sinal. Depois de resfriar os nós até perto de zero absolutoa luz é enviada através do primeiro nó e, pela natureza da estrutura atômica do centro de lacunas de silício, fica emaranhada com ele.
Perspectivas Futuras para a Internet Quântica
“Como a luz já está emaranhada com o primeiro nó, ela pode transferir esse emaranhado para o segundo nó”, explicou o primeiro autor Can Knaut, aluno da Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências Kenneth C. Griffin no laboratório de Lukin. “Chamamos isso fótonemaranhado mediado.”
Nos últimos anos, os pesquisadores alugaram fibra óptica de uma empresa em Boston para realizar seus experimentos, encaixando sua rede de demonstração na fibra existente para indicar que seria possível criar uma Internet quântica com linhas de rede semelhantes.
“Mostrar que os nós da rede quântica podem ser emaranhados no ambiente do mundo real de uma área urbana muito movimentada é um passo importante para a rede prática entre computadores quânticos”, disse Lukin.
Uma rede quântica de dois nós é apenas o começo. Os pesquisadores estão trabalhando diligentemente para ampliar o desempenho de sua rede, adicionando nós e experimentando mais protocolos de rede.
Referência: “Enredamento de nós de memória quântica nanofotônica em uma rede de telecomunicações” por CM Knaut, A. Suleymanzade, Y.-C. Wei, DR Assumpção, P.-J. Stas, YQ Huan, B Machielse, Knall EN, Sutula M, Baranes G, Sinclair N, De-Eknamkul C, Levonian DS, Bhaskar MK, Park H, Lončar M e Lukin MD, 15 de maio de 1999. Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07252-z
O trabalho foi apoiado pela aliança de pesquisa do AWS Center for Quantum Networking com a Harvard Quantum Initiative, a National Science Foundation, o Center for Ultracold Atoms (um NSF Physics Frontiers Center), o Center for Quantum Networks (um NSF Engineering Research Center), o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e outras fontes.
