A Promessa e o Desafio da Internet Quântica
Uma internet quântica seria fundamentalmente diferente da internet clássica que conecta o mundo hoje. Em vez de transmitir informações codificadas em bits clássicos, uma rede quântica distribuiria informações quânticas codificadas em qubits, explorando as propriedades do emaranhamento quântico para permitir aplicações fisicamente impossíveis com comunicação clássica. Quantum key distribution oferece criptografia teoricamente inquebrável. A computação quântica distribuída poderia conectar processadores quânticos em sistemas mais poderosos que qualquer máquina única. Sensores quânticos conectados em rede poderiam alcançar sensibilidades além dos limites da medição clássica.
O desafio tem sido a implementação. Estados quânticos são extraordinariamente frágeis: entram em colapso quando medidos, sofrem descoerência quando interagem com seu ambiente, e não podem ser amplificados através das estações de repetição clássica que estendem sinais de internet clássica por distâncias. Construir uma rede quântica que possa manter emaranhamento em qualquer distância superior a alguns quilômetros tem sido o desafio de engenharia central da rede quântica dos últimos vinte anos.
Por que Diamantes
Diamante é um material inusitado para uma aplicação tecnológica, mas para rede quântica possui propriedades únicas e bem ajustadas. O NV center (nitrogen-vacancy) em diamante—um defeito cristalino onde um átomo de nitrogênio fica adjacente a uma vacância na rede de diamante—é um sistema quântico que pode ser inicializado, manipulado e lido usando campos laser e microondas. É um de um pequeno número de sistemas quânticos de estado sólido que podem ser operados em temperatura ambiente em vez de exigir resfriamento em milikelvin, o que é uma vantagem prática significativa para implantação de infraestrutura.
NV centers em diamante podem ser emaranhados com fótons e, através desses fótons, com outros NV centers em locais distantes. Possuem tempos de coerência relativamente longos—a informação quântica pode ser preservada por microssegundos ou mais, o que é longo o suficiente para implementar protocolos de correção de erros quânticos. E emitem fótons únicos em uma faixa de comprimento de onda que pode ser acoplada em fibras ópticas, tornando-as compatíveis com infraestrutura de fibra existente.
O que o Avanço Alcançou
O avanço relatado envolve a geração confiável de emaranhamento entre nós quânticos de diamante em distâncias e taxas que representam um passo significativo em direção a segmentos práticos de rede quântica. Demonstrações anteriores haviam alcançado emaranhamento entre NV centers, mas com taxas de sucesso muito baixas—a geração de emaranhamento exige que ambos os nós emitam simultaneamente fótons que cheguem a uma estação de medição central, e a combinação de eficiência de emissão de fótons, perdas de transmissão de fibra e eficiência de detector significava que um evento de emaranhamento bem-sucedido poderia ocorrer apenas uma vez a cada vários minutos.
O avanço da equipe alemã melhora a taxa de geração de emaranhamento através de uma combinação de qualidade de amostra de diamante melhorada—reduzindo os defeitos de cristal e strain que degradam a emissão de NV center—e acoplamento óptico otimizado entre os NV centers e a rede de fibra. Geração de emaranhamento de qualidade superior, com melhor fidelidade, permite que os protocolos de correção de erros quânticos necessários para construir links de rede quântica mais longos encadeando segmentos mais curtos.
O Caminho para Infraestrutura de Rede Quântica
Uma internet quântica funcional requer não apenas nós quânticos individuais que possam ser emaranhados, mas repetidores quânticos que possam estender emaranhamento por longas distâncias criando emaranhamento em segmentos e conectando esses segmentos através de operações de troca de emaranhamento. Diamond NV centers são uma das principais plataformas candidatas para nós de repetidor quântico, junto com íons aprisionados, átomos neutros e sistemas de defeito baseados em silício.
A pesquisa atual aborda uma das métricas de desempenho-chave que determina se uma plataforma é viável para repetidores quânticos: a taxa de geração de emaranhamento e fidelidade entre nós vizinhos. Se essa métrica puder ser elevada ao nível em que múltiplas operações de troca de emaranhamento possam ser realizadas dentro do tempo de coerência dos nós quânticos, redes quânticas de longa distância tornam-se viáveis.
Germany tem sido um dos países líderes em pesquisa de rede quântica, com investimento federal significativo em infraestrutura testbed de internet quântica e programas de colaboração acadêmica-indústria. A pesquisa se constrói sobre vários anos de melhorias incrementais no desempenho do NV center em diamante e representa um marco nesse programa que aproxima o cronograma para demonstrações práticas de rede quântica.
Implicações Comerciais e de Segurança
Rede quântica tem atraído investimento substancial de governos e empresas privadas, impulsionado principalmente pelas aplicações de segurança. Quantum key distribution, a aplicação de rede quântica mais madura, gera chaves de criptografia cuja segurança é garantida pelas leis da física em vez da dificuldade computacional de problemas matemáticos. À medida que computadores quânticos que poderiam quebrar criptografia de chave pública atual se aproximam mais perto da capacidade prática, comunicação quantum-secure se torna estrategicamente importante.
Várias empresas, incluindo ID Quantique e Toshiba, implantaram sistemas QKD comerciais em redes de fibra metropolitanas. A pesquisa de rede quântica baseada em diamante visa um nível diferente: a tecnologia de repetidor quântico que estenderia rede quântica sobre distâncias de longa distância—centenas a milhares de quilômetros—necessários para infraestrutura de comunicações quantum-secure nacional e internacional.
Este artigo é baseado em reportagem da Interesting Engineering. Leia o artigo original.
Originally published on interestingengineering.com
