Com informações da Fapesp e Phys.org - 10/11/2021
O experimento expande muito a "fronteira" entre o mundo quântico e o mundo clássico, mostrando que os estranhos comportamentos da mecânica quântica podem ser transferidos para objetos grandes.
[Imagem: Niccolò Fiaschi et al. - 10.1038/s41566-021-00866-z]
Teletransporte da luz para vibração mecânica
A computação quântica emprega qubits (bits quânticos) que consistem em, por exemplo, elétrons, fótons, átomos ou até mesmo defeitos atômicos no interior do diamante.
E o teletransporte de informações diretamente entre esses qubits emergiu recentemente como uma das técnicas mais promissoras para viabilizar processadores com grandes números de qubits.
Agora, um grupo de pesquisadores do Brasil e dos Países Baixos desenvolveu uma técnica que permite teletransportar o dado de um fóton - a unidade básica da luz - para um dispositivo optomecânico, uma estrutura vibratória composta por bilhões de átomos.
Esta técnica inovadora permite aplicações diretas no mundo real, incluindo a criação de nós de rede repetidores para a internet quântica, ao mesmo tempo que permite que a própria mecânica quântica seja estudada de novas maneiras.
"Assim como ocorre na internet clássica, a internet quântica necessitará de uma rede de repetidores de sinais, que distribuirão a informação para qualquer lugar do mundo. Em nosso estudo, obtivemos a transferência fiel de um estado quântico desconhecido para um sistema quântico remoto. Isso nos permite visualizar um cenário de comunicação quântica de longa distância, necessária para a construção de uma futura internet quântica," explicou o professor Thiago Alegre, da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas).
No experimento, um estado quântico arbitrário foi codificado em um qubit fotônico por meio de um feixe de luz polarizado. O fóton foi então enviado por dezenas de metros de fibra óptica e, finalmente, teletransportado para dois ressonadores de silício, cada qual com bilhões de átomos - cada um deles mede 0,01 milímetro de diâmetro.
Para isso, os pesquisadores precisaram gerar um estado entrelaçado entre os modos mecânicos dos dois micro-osciladores, permitindo a manipulação a longa distância desses estados. Por fim, a equipe demonstrou a confiabilidade do processo, recuperando fielmente o estado quântico original que estava no fóton a partir da memória dos ressonadores.
O teletransporte quântico tem sido realizado em variados tipos de experimentos. A novidade trazida pela equipe foi a utilização de dispositivos optomecânicos para a recepção do sinal. Um dispositivo optomecânico é uma estrutura que pode vibrar por ação da luz, por exemplo, ou interferir com a luz devido às suas vibrações. Essa interação entre a luz e uma vibração mecânica já havia sido detalhada pela mesma equipe em um trabalho anterior.
"Tais dispositivos podem ser projetados para operar com qualquer comprimento de onda, inclusive o infravermelho. Esse é o comprimento de onda com menor perda de transmissão, permitindo assim a maior distância entre os repetidores," disse o professor Simon Gröblacher, da Universidade de Tecnologia de Delft.
O experimento, realizado por pesquisadores neerlandeses e brasileiros, é um importante passo rumo à internet quântica.
Segundo Alegre, um próximo passo necessário para trazer esta técnica para aplicações no mundo real consistirá em projetar sistemas optomecânicos que sejam menos sujeitos a interferências de luzes "parasitas". "Isso pode ser feito graças à grande flexibilidade desses dispositivos nanofabricados," afirmou ele.
Na verdade, esta linha de pesquisa representa uma avenida direta para a construção de uma futura internet quântica híbrida, que funcionaria de forma heterogênea, com vários sistemas físicos se comunicando e realizando diferentes funcionalidades - a maioria dos processadores quânticos atuais, por exemplo, não usa qubits fotônicos, mas supercondutores ou atômicos.
"Poderemos ter nós repetidores quânticos optomecânicos conectados a um computador quântico ou memória consistindo em qubits supercondutores ou sistemas quânticos de spin [elétrons]. Todos esses componentes terão de ser compatíveis uns com os outros e operarem no mesmo comprimento de onda, a fim de transferir fielmente as informações quânticas," antevê Gröblacher. "É por isso que este é um trabalho importante, pois foi possível criar uma plataforma versátil capaz de interligar vários desses sistemas", completou Alegre.
Artigo: Optomechanical quantum teleportation
Autores: Niccolò Fiaschi, Bas Hensen, Andreas Wallucks, Rodrigo Benevides, Jie Li, Thiago P. Mayer Alegre, Simon Gröblacher