Em um experimento inédito, engenheiros da Universidade da Pensilvânia trouxeram a rede quântica para fora do laboratório e a conectaram a cabos de fibra óptica comerciais, utilizando o mesmo Protocolo de Internet (IP) que sustenta a web atual. Reportado na Science, o trabalho demonstra que sinais quânticos frágeis podem operar na mesma infraestrutura que transporta o tráfego online cotidiano. A equipe testou sua abordagem na rede de fibra óptica do campus da Verizon.
A pequena “Q-chip” da equipe da Penn coordena dados quânticos e clássicos e, crucialmente, fala a mesma língua que a web moderna. Essa abordagem pode abrir caminho para um futuro “internet quântica”, que os cientistas acreditam que pode ser tão transformadora quanto o surgimento da era online.
Os sinais quânticos dependem de pares de partículas “entrelaçadas”, que estão tão interligadas que mudar uma afeta instantaneamente a outra. Aproveitar essa propriedade poderia permitir que computadores quânticos se conectassem e unissem seu poder de processamento, possibilitando avanços como IA mais rápida e eficiente em energia ou a concepção de novos medicamentos e materiais além do alcance dos supercomputadores atuais.
O trabalho da Penn mostra, pela primeira vez em fibra comercial ao vivo, que um chip pode não apenas enviar sinais quânticos, mas também corrigir automaticamente interferências, agrupar dados quânticos e clássicos em pacotes padrão da internet e roteá-los usando o mesmo sistema de endereçamento e ferramentas de gerenciamento que conectam dispositivos cotidianos online.
“Ao mostrar que um chip integrado pode gerenciar sinais quânticos em uma rede comercial ao vivo como a da Verizon, e fazê-lo usando os mesmos protocolos que operam na internet clássica, demos um passo fundamental para experimentos em maior escala e para uma internet quântica prática”, afirma Liang Feng, professor de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) e Engenharia Elétrica e de Sistemas (ESE), e autor sênior do artigo na Science.
Os Desafios de Escalar a Internet Quântica
Erwin Schrodinger, que criou o termo “entrelaçamento quântico”, relacionou o conceito a um gato escondido em uma caixa. Se a tampa estiver fechada e a caixa também contiver material radioativo, o gato pode estar vivo ou morto. Uma maneira de interpretar a situação é que o gato está tanto vivo quanto morto. Somente abrir a caixa confirma o estado do gato.
Esse paradoxo é vagamente análogo à natureza única das partículas quânticas. Uma vez medidas, elas perdem suas propriedades incomuns, o que torna muito difícil escalar uma rede quântica.
“Redes normais medem dados para guiá-los em direção ao destino final”, diz Robert Broberg, estudante de doutorado em ESE e coautor do artigo. “Com redes puramente quânticas, você não pode fazer isso, porque medir as partículas destrói o estado quântico.”
Coordenando Sinais Clássicos e Quânticos
Para contornar esse obstáculo, a equipe desenvolveu o “Q-Chip” (abreviação de “Internet Híbrida Quântico-Clássica por Fotônica”) para coordenar sinais “clássicos”, feitos de fluxos regulares de luz, e partículas quânticas. “O sinal clássico viaja logo à frente do sinal quântico”, diz Yichi Zhang, estudante de doutorado em MSE e primeiro autor do artigo. “Isso nos permite medir o sinal clássico para roteamento, enquanto deixamos o sinal quântico intacto.”
Essencialmente, o novo sistema funciona como uma ferrovia, pareando locomotivas de luz regulares com carga quântica. “O ‘cabeçalho’ clássico atua como o motor do trem, enquanto a informação quântica viaja atrás em contêineres selados”, diz Zhang. “Você não pode abrir os contêineres sem destruir o que há dentro, mas o motor garante que todo o trem chegue onde precisa.”
Como o cabeçalho clássico pode ser medido, todo o sistema pode seguir o mesmo “IP” ou “Protocolo de Internet” que governa o tráfego da internet contemporânea. “Ao embutir informações quânticas no quadro familiar do IP, mostramos que uma internet quântica poderia literalmente falar a mesma língua que a clássica”, diz Zhang. “Essa compatibilidade é fundamental para escalar usando a infraestrutura existente.”
Adaptando a Tecnologia Quântica ao Mundo Real
Um dos maiores desafios para transmitir partículas quânticas em infraestrutura comercial é a variabilidade das linhas de transmissão do mundo real. Diferentemente dos ambientes laboratoriais, que podem manter condições ideais, redes comerciais frequentemente enfrentam mudanças de temperatura, devido ao clima, além de vibrações causadas por atividades humanas como construção e transporte, sem mencionar a atividade sísmica.
Para contrabalançar isso, os pesquisadores desenvolveram um método de correção de erro que aproveita o fato de que a interferência ao cabeçalho clássico afetará o sinal quântico de maneira similar. “Como podemos medir o sinal clássico sem danificar o quântico”, afirma Feng, “podemos inferir quais correções precisam ser feitas no sinal quântico sem nunca medi-lo, preservando o estado quântico.”
Nos testes, o sistema manteve fidelidades de transmissão acima de 97%, demonstrando que poderia superar o ruído e a instabilidade que geralmente destroem sinais quânticos fora do laboratório. E como o chip é feito de silício e fabricado com técnicas estabelecidas, ele poderia ser produzido em massa, facilitando a escalabilidade da nova abordagem.
“Nossa rede possui apenas um servidor e um nó, conectando dois edifícios, com cerca de um quilômetro de cabo de fibra óptica instalado pela Verizon entre eles”, diz Feng. “Mas tudo o que você precisa fazer para expandir a rede é fabricar mais chips e conectá-los aos cabos de fibra óptica existentes na Filadélfia.”
O Futuro da Internet Quântica
A principal barreira para escalar redes quânticas além de uma área metropolitana é que os sinais quânticos ainda não podem ser amplificados sem destruir seu entrelaçamento.
Embora algumas equipes tenham demonstrado que “chaves quânticas”, códigos especiais para comunicação ultra-segura, podem viajar longas distâncias por fibra comum, esses sistemas utilizam luz coerente fraca para gerar números aleatórios que não podem ser copiados, uma técnica que é altamente eficaz para aplicações de segurança, mas não é suficiente para conectar processadores quânticos reais.
Superar esse desafio exigirá novos dispositivos, mas o estudo da Penn fornece um importante primeiro passo: mostrar como um chip pode transmitir sinais quânticos através de fibra comercial existente usando roteamento de pacotes estilo internet, com comutação dinâmica e mitigação de erros em chip que trabalham com os mesmos protocolos que gerenciam as redes atuais.
“Isso parece os primeiros dias da internet clássica na década de 1990, quando as universidades começaram a conectar suas redes”, diz Broberg. “Isso abriu a porta para transformações que ninguém poderia ter previsto. Uma internet quântica tem o mesmo potencial.”
Este estudo foi realizado na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia e foi apoiado pela Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF12960 e DOI 10.37807), Office of Naval Research (N00014-23-1-2882), National Science Foundation (DMR-2323468), cadeira de professores Olga e Alberico Pompa e prêmio PSC-CUNY (ENHC-54-93).
Coautores adicionais incluem Alan Zhu, Gushi Li e Jonathan Smith da Universidade da Pensilvânia, e Li Ge da City University of New York.
