Dois passos mais perto da Internet Quântica

Em teoria, o funcionamento contraintuitivo da mecânica quântica poderia garantir que as comunicações digitais sejam totalmente imunes a olhos curiosos. Essa teoria vinha avançando rapidamente, mas a prática está agora se aproximando da realidade graças a pesquisas realizadas por um dos pioneiros do campo.

O físico da Universidade de Viena, Anton Zeilinger e sua equipe realizaram o primeiro teletransporte de fótons em 1997. Este, não deve ser confundido a tecnologia de Star Trek: teletransporte é a transferência instantânea das propriedades de uma partícula para outra muito distante; é a chave para talvez a versão mais incontestável das comunicações quânticas. Em novembro, Zeilinger e sua equipe relataram que levaram esse processo a dois importantes passos adiante.

Primeiro, eles teletransportaram não apenas as propriedades comuns de um fóton, mas também a mais estranho delas: o entrelaçamento. Mais além, eles fizeram isso a uma distância recorde de 143 quilômetros, ligando as ilhas Canárias de La Palma a Tenerife. Essa distância é particularmente significativa, porque é quase tão longa quanto o limite da órbita baixa da Terra.

Segundo, eles realizaram uma façanha similar – embora em uma distância muito mais curta -usando luz torcida, o tipo que se caracteriza por ter uma propriedade chamada momento angular orbital. Especialistas em fótons acreditam que o momento angular orbital pode aumentar enormemente a largura de banda das redes de telecomunicações ópticas.

Dois pares de fótons, um par (0 e 1) em um receptor em Tenerife e outros (2 e 3) em um transmissor no La Palma, nas Ilhas Canárias, estão entrelaçados uns aos outros. Depois, o fóton 3 é enviada para Tenerife e uma medição é feita sobre ela e um fóton 1 simultaneamente. Em seguida, o fóton 1 e 3 estão agora entrelaçados, e bem como os fótons 0 e 2 – apesar de eles nunca terem chegaram perto um do outro.

O entrelaçamento é um fenômeno quântico. Quando um par de partículas, como fótons, é criado em um único processo físico ou interage uns com os outros de um modo particular, ele torna-se entrelaçado, isto é, começa a comportar-se como uma única partícula, mesmo quando fica separado por qualquer distância.

Teletransporte de entrelaçamento, também conhecido como troca de entrelaçamento, também faz uso de um outro fenômeno curioso: também é possível entrelaçar dois fótons por meio da realização de uma medição conjunta sobre eles, conhecida como uma medida Bell-State. Uma vez que esses fótons estejam ligados, trocando a polarização de um deles, digamos, de cima para baixo-provoca um interruptor instantâneo da polarização do outro fóton, de baixo para cima.

Veja como a troca de entrelaçamento funciona: Suponha que você tem dois pares de fótons entrelaçados, 0 e 1 na estação de recepção e 2 e 3 na estação transmissora. Ambos os pares entrelaçados são completamente inconscientes um do outro; em outras palavras, não existe ligação física entre eles. 

Agora, suponha que você envie o fóton 3 a partir do emissor para o receptor e realize uma medição de Bell-State simultaneamente nos fótons 3 e 1. Como resultado, 3 e 1 se entrelaçam. Mas, surpreendentemente, fóton 2, que ficou em casa, agora está entrelaçado com o fóton 0, no receptor. O entrelaçamento entre os dois pares foi trocado, e um canal de comunicação quântica foi estabelecida entre fótons 0 e 2, embora eles nunca tenham sido “formalmente apresentados “ (ver ilustração “Troca de entrelaçamento”).

Troca de entrelaçamento será um componente fundamental para a segurança das futuras ligações quânticas via satélite, diz Thomas Scheidl, um membro do grupo de pesquisa de Zeilinger.

A equipe está trabalhando com um grupo da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em no projeto de um satélite, liderado pelo ex-estudante de Ph.D. de Zeilinger, Jian Wei Pan. No próximo ano, quando a Academia Chinesa de Ciências lançar seu Satélite de Ciência Quântica – que levará a bordo uma fonte de fótons entrelaçados – satélites e estações terrestres na Europa e na China irão formar a primeira rede quântica Espaço-Terra. Eles irão implementar um protocolo de retransmissão de chave quântica, ligando de forma segura as estações terrestres na Europa e na China, diz Scheidl.

O Satélite de Ciência Quântica será lançado em órbita baixa da Terra e se comunicará com uma estação terrestre de cada vez. “O satélite voa sobre uma estação terrestre na Europa e estabelece uma ligação quântica com ela, e é gerada uma chave entre o satélite e a estação terrestre na Europa. Então, algumas horas mais tarde, o satélite vai passar sobre uma estação na China e estabelecer uma segunda ligação quântica e uma nova chave de segurança com uma estação terrestre na China “, explica Scheidl.

“O satélite, em seguida, tem ambas as chaves de segurança disponíveis, e você pode combinar as duas em uma só”, acrescenta. “Então você pode enviar, por meio de um canal clássico, a combinação de chaves para ambas as estações terrestres. Pode-se fazer publicamente pois ninguém pode compreender nada desta chave combinada. Devido ao fato de que uma estação terrestre tem uma chave individual, ela pode desfazer essa chave combinada e aprender sobre a chave da outra estação terrestre”.

O futuro da Internet Quântica vai precisar de uma rede de satélites e estações terrestres, semelhante à do Sistema de Posicionamento Global, a fim de trocar chaves quânticas instantaneamente.

Distâncias de muitos quilômetros para transmissão de luz torcida, a luz possuir um momento angular orbital, e uma frente de onda que se assemelha a um macarrão fusilli – já se mostraram reais há um ano pela equipe Viena. “O ano passado demos um passo necessário, e ele foi bem-sucedido”, diz Mario Krenn, membro do grupo de pesquisa de Zeilinger. 

Eles sabiam que entrelaçar fótons era o próximo passo para poder aumentar a largura de banda de geração de chave quântica. E isso é tudo o que Krenn e seus colegas têm feito, entrelaçar fótons e enviá-los a 3 km um do outro: “Fomos capazes de mostrar que, no nível de fóton único, cada um pode manter a informação sob a forma de momento angular orbital durante uma grande distância e pode ser entrelaçado mesmo depois de afastados mais de 3 quilômetros”.

O controle de entrelaçamentos quânticos é muito mais complicado do que o controle de estados de polarização, mas a possibilidade de sermos capazes de entrelaçar os fótons em vários níveis, vale a pena o esforço, diz Krenn. Fótons só podem existir em dois estados ou níveis de polarização, para cima e para baixo. 

Mas o número de estados de momento angular orbital é, em teoria, ilimitado, explica Krenn. “No laboratório, nós mostramos que podemos criar um entrelaçamento de cem dimensões – ou seja, cem diferentes níveis de fótons podem ser entrelaçados.” E isso vai significar uma grande largura de banda, uma verdadeira rede global com segurança inquebrável.