A vida online é insegura. Os criminosos podem invadir contas bancárias ou roubar identidades pessoais, e a IA está ajudando esses ataques a se tornarem mais sofisticados. A criptografia quântica utiliza as regras da física quântica para fornecer uma defesa promissora para proteger as comunicações contra a privacidade. No entanto, construir uma Internet quântica funcional ainda envolve grandes desafios técnicos. Uma equipe do Instituto de Óptica de Semicondutores e Interfaces Funcionais (IHFG) da Universidade de Stuttgart fez agora progressos significativos em um dos componentes mais difíceis, o “repetidor quântico”.
Sua pesquisa mostra Comunicação da natureza.
Pontos quânticos como plataformas em miniatura para transferência de dados
“Pela primeira vez em todo o mundo, conseguimos transferir informações quânticas entre fótons originados de dois pontos quânticos diferentes”, disse o professor Peter Mitchler, porta-voz principal e adjunto do IHFG. Quantenrepeater.Net (QR.N) Projeto de Pesquisa. Para entender por que isso é importante, é útil observar como funciona a comunicação. Quer se envie uma mensagem do WhatsApp ou transmita um vídeo, os dados sempre consistem em zeros e uns. A comunicação quântica segue um conceito semelhante, mas os fótons individuais atuam como portadores de informação. Um zero ou um fóton é codificado na direção da polarização (ou seja, sua orientação nas direções horizontal e vertical ou uma superposição de ambas). Como os fótons se comportam de acordo com a mecânica quântica, sua polarização não pode ser medida sem traços detectáveis. Qualquer tentativa de interceptar a mensagem será exposta.
Preparando redes quânticas para fibra óptica
Outra questão importante é a compatibilidade com a infraestrutura atual da Internet. Uma Internet quântica acessível dependeria das mesmas fibras ópticas usadas agora. No entanto, a luz que viaja através da fibra só pode ser transmitida a uma distância limitada. Os sinais convencionais são atualizados aproximadamente a cada 50 km usando um amplificador óptico. A informação quântica não pode ser amplificada ou copiada, o que significa que este método não funciona. Em vez disso, a física quântica torna possível transferir informações de um fóton para outro, desde que a própria informação permaneça desconhecida. Este fenômeno é chamado de teletransporte quântico.
Desenvolvendo repetidores quânticos para transmissão de longa distância
Para aproveitar as vantagens do teletransporte quântico, os cientistas estão projetando repetidores quânticos que podem renovar a informação quântica antes que ela desapareça pela fibra. Esses repetidores atuarão como nós essenciais em uma Internet quântica. Eles foram difíceis de fazer. O teletransporte exige que os fótons sejam quase idênticos em propriedades como tempo e cor. Esses fótons são difíceis de criar porque vêm de fontes distintas. “Os quanta de luz de diferentes pontos quânticos nunca foram teletransportados antes porque é muito desafiador”, disse Tim Strobel, cientista do IHFG e primeiro autor do estudo.
Como parte do QR.N, sua equipe desenvolveu fontes de luz semicondutoras que emitem fótons muito próximos entre si. “Nessas ilhas de semicondutores, existem certos níveis fixos de energia, assim como um átomo”, disse Strobel. Esta configuração permite a produção de fótons discretos com propriedades bem definidas. “Nossos parceiros do Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais em Dresden desenvolveram pontos quânticos que são apenas ligeiramente diferentes”, acrescentou. Isto torna possível produzir fótons quase idênticos em dois locais separados.
Teletransportando informações entre fótons de diferentes fontes
Na Universidade de Stuttgart, pesquisadores teletransportaram com sucesso o estado de polarização de um fóton de um ponto quântico para um fóton produzido por um segundo ponto quântico. Um ponto emite um único fóton e o outro produz um par de fótons emaranhado. “Enredados” significa que dois fótons compartilham um único estado quântico, embora estejam fisicamente separados. Um fóton do par viaja até o segundo ponto quântico e interage com seu fóton. Quando os dois se sobrepõem, sua superposição transfere informações do fóton original para o parceiro distante do par emaranhado.
Um componente-chave dessa conquista foi o uso de dispositivos de “conversor quântico de frequência” que ajustam pequenas incompatibilidades de frequência entre os fótons. Esses conversores foram projetados por uma equipe liderada pelo especialista em óptica quântica Prof. Christoph Becher, da Universidade de Saarland.
Trabalhando para distâncias maiores e maior precisão
“Transferir informação quântica entre fótons de diferentes pontos quânticos é um passo importante para colmatar distâncias maiores”, explica Mishler. Neste experimento, dois pontos quânticos foram conectados por cerca de 10 metros de fibra óptica. “Mas estamos trabalhando para alcançar distâncias substancialmente maiores”, disse Strobel.
Pesquisas anteriores já mostraram que os fótons de pontos quânticos presos no centro de Stuttgart podem sobreviver a uma transmissão de 36 quilômetros. A equipe também pretende aumentar a taxa de sucesso do teletransporte, que atualmente é de pouco mais de 70%. Mudanças dentro de cada ponto quântico ainda causam pequenas anomalias nos fótons.
“Queremos reduzir isso através do avanço das técnicas de fabricação de semicondutores”, disse Strobel. Simone Luca Portalupi, líder do grupo do IHFG e um dos coordenadores do estudo, acrescentou: “Alcançar este experimento tem sido uma ambição de longa data – esses resultados refletem anos de dedicação e progresso científico. É emocionante ver como os experimentos focados na pesquisa básica estão dando os primeiros passos em direção à aplicação prática”.
Um esforço nacional para desenvolver tecnologia de repetidor quântico
A pesquisa sobre repetidores quânticos recebe financiamento do Ministério Federal de Pesquisa, Tecnologia e Espaço (BMFTR)”Quantenrepeater.Net (QR.N)”. Coordenada pela Saarland University, a rede QR.N consiste em 42 parceiros de universidades, institutos de pesquisa e indústria que colaboram para desenvolver e testar tecnologia de repetidor quântico em redes de fibra óptica. O programa baseia-se nos resultados do anterior “Quantenrepeater.Link), apoiado pelo BTRMB (BTRMB, BFTR). O que ajudou a estabelecer as bases para repetidores quânticos em todo o país de 2021 a 2024. Cientistas da Universidade de Stuttgart desempenharam um papel central em ambos os esforços.
Os experimentos de teletransporte quântico foram liderados pelo Instituto de Óptica de Semicondutores e Interfaces Funcionais (IHFG) com contribuições do Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais (IFW) em Dresden e do Grupo de Pesquisa de Óptica Quântica da Universidade de Saarland.
