Cientistas realizam teletransporte quântico pela primeira vez

Utilizando um cabo de fibra óptica para tráfego clássico — como o de internet —, cientistas conseguiram realizar o primeiro teletransporte quântico da história, ao proporcionar uma transmissão de informação entre dois pontos sem a necessidade de uma viagem entre eles.

“Isso é incrivelmente emocionante porque ninguém pensou que fosse possível”, disse Prem Kumar, professor da Universidade Northwestern nos Estados Unidos-EUA, e líder do estudo, em declaração. “Nosso trabalho mostra um caminho em direção às redes quânticas e clássicas de próxima geração que compartilham uma infraestrutura de fibra óptica unificada. Basicamente, ele abre a porta para levar as comunicações quânticas para o próximo nível.”

Essa nova forma de transmissão permite que as informações sejam compartilhadas de forma ultrarrápida e segura entre os usuários. Para isso, o processo utilizado contou com o emaranhamento quântico — quando duas partículas são ligadas, independentemente da distância entre elas.

O estudo

Ao utilizar partículas de fótons, o teletransporte pode ser feito por meio de cabos de fibra óptica. A equipe de pesquisadores da Universidade Northwestern notou que estudos anteriores indicavam a interrupção do emaranhamento quântico em comprimentos de onde próximos aos utilizados pelo tráfego comum da internet. Porém, com um comprimento de onda distante de qualquer tráfego, o emaranhamento não foi afetado. O teletransporte é apenas limitado pela velocidade da luz.

“Nas comunicações ópticas, todos os sinais são convertidos em luz”, explicou Kumar. “Enquanto os sinais convencionais para comunicações clássicas tipicamente compreendem milhões de partículas de luz, a informação quântica usa fótons únicos.”

“Ao realizar uma medição destrutiva em dois fótons — um carregando um estado quântico e um emaranhado com outro fóton — o estado quântico é transferido para o fóton restante, que pode estar muito distante”, explicou Jordan Thomas, candidato a Ph.D. no laboratório de Kumar e primeiro autor do artigo. “O fóton em si não precisa ser enviado por longas distâncias, mas seu estado ainda acaba codificado no fóton distante. O teletransporte permite a troca de informações por grandes distâncias sem exigir que a informação em si viaje essa distância.”

Os pesquisadores acreditavam que os fótons emaranhados acabariam se perdendo entre milhões de outras partículas de luz, mas a equipe conseguiu encontrar uma forma de ajudar a afastar os fótons delicados do tráfego intenso após entender como a luz se espalha dentro dos cabos de fibra óptica.

“Estudamos cuidadosamente como a luz é espalhada e colocamos nossos fótons em um ponto judicial onde esse mecanismo de espalhamento é minimizado”, disse Kumar. “Descobrimos que poderíamos realizar comunicação quântica sem interferência dos canais clássicos que estão simultaneamente presentes.”

A equipe utilizou um cabo de fibra óptica de 30km de comprimento, com um fóton em cada extremidade. Enquanto o tráfego de internet corria em alta velocidade pelo cabo, os cientistas enviaram informações quânticas. Ao final do estudo, foi notado que houve sucesso no teletransporte de informações quânticas.

“O teletransporte quântico tem a capacidade de fornecer conectividade quântica com segurança entre nós geograficamente distantes”, disse Kumar. “Mas muitas pessoas há muito tempo assumem que ninguém construiria infraestrutura especializada para enviar partículas de luz. Se escolhermos os comprimentos de onda corretamente, não teremos que construir uma nova infraestrutura. As comunicações clássicas e as comunicações quânticas podem coexistir.”

Como funciona

Limitado apenas pela velocidade da luz, o teletransporte quântico permite uma nova forma, ultra-rápida e segura, de partilhar informações entre utilizadores de redes distantes, em que a transmissão direta não é necessária.

O processo funciona através do aproveitamento do emaranhamento quântico, uma técnica em que duas partículas estão ligadas, independentemente da distância entre elas.

No coração desta ideia está o fenómeno da “ação fantasmagórica à distância“, um termo cunhado por Albert Einstein para descrever o entrelaçamento quântico.

Este princípio estranho, mas fundamental, da mecânica quântica, sugere que “partículas interligadas quanticamente”, que tenham inicialmente interagido, podem influenciar instantaneamente as propriedades uma da outra, independentemente da distância que as separa.

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Este fenómeno, que permite que os físicos introduzam alterações nas características de certas partículas, provocando as mesmas alterações, à distância, nas partículas que anteriormente tivessem interagido com as primeiras, está na base da computação quântica.

Assim, em vez de as partículas viajarem fisicamente para transmitir informações, as partículas emaranhadas, ou entrelaçadas, trocam informações a grandes distâncias — sem as transportar fisicamente.

“Nas comunicações óticas, todos os sinais são convertidos em luz”, explicou Kumar. “Enquanto os sinais convencionais para comunicações clássicas são tipicamente compostos por milhões de partículas de luz, o transporte de informação quântica utiliza fotões únicos“.

“Ao efetuar uma medição destrutiva em dois fotões — um com um estado quântico e outro emaranhado com outro fotão — o estado quântico é transferido para o fotão restante, que pode estar muito longe”, disse Jordan Thomas, candidato a doutoramento no laboratório de Kumar e primeiro autor do artigo.

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“O fotão em si não tem de ser enviado para longas distâncias, mas o seu estado acaba por ser codificado no fotão à distância. O teletransporte permite a troca de informação a grandes distâncias sem que a própria informação tenha de percorrer essa distância”, detalha o investigador.

Antes do novo estudo de Kumar, muitos investigadores não tinham a certeza de que o teletransporte quântico fosse possível em cabos que transportam comunicações clássicas.

Os fotões emaranhados afogar-se-iam entre os milhões de outras partículas de luz. Seria como uma bicicleta frágil a tentar navegar por um túnel apinhado de camiões pesados em alta velocidade.

Kumar e a sua equipa, no entanto, descobriram uma forma de ajudar os delicados fotões a afastarem-se do tráfego intenso.

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Depois de realizarem estudos aprofundados sobre a forma como a luz se dispersa nos cabos de fibra ótica, os investigadores encontraram um comprimento de onda de luz menos concorrido para colocar os seus fotões. De seguida, adicionaram filtros especiais para reduzir o ruído do tráfego normal da Internet.

“Estudámos cuidadosamente a forma como a luz se dispersa e colocámos os nossos fotões num ponto judicial onde esse mecanismo de dispersão é minimizado“, explica Kumar. “Descobrimos que podíamos efetuar uma comunicação quântica sem interferência dos canais clássicos que estão simultaneamente presentes”.

“O teletransporte quântico tem a capacidade de fornecer conetividade quântica de forma segura entre nós geograficamente distantes”, explica Kumar.

“Muitas pessoas assumiram que ninguém iria construir uma infraestrutura especializada para enviar partículas de luz. Se escolhermos corretamente os comprimentos de onda, não teremos de construir novas infraestruturas. As comunicações clássicas e quânticas podem coexistir”, conclui.

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