A vida online continua vulnerável. Criminosos podem infiltrar-se em contas bancárias ou roubar identidades pessoais, e a IA está ajudando esses ataques a se tornarem mais sofisticados. A criptografia quântica oferece uma defesa promissora ao utilizar as regras da física quântica para proteger a comunicação contra escuta. Mesmo assim, construir uma internet quântica funcional ainda envolve grandes desafios técnicos. Uma equipe do Instituto de Óptica de Semicondutores e Interfaces Funcionais (IHFG) da Universidade de Stuttgart fez agora progressos significativos em um dos componentes mais difíceis, o “repetidor quântico”.
O estudo deles foi publicado na Nature Communications.
Pontos Quânticos como Pequenas Plataformas para Transferência de Informação
“Pela primeira vez no mundo, conseguimos transferir informação quântica entre fótons provenientes de dois pontos quânticos diferentes,” afirma o Prof. Peter Michler, chefe do IHFG e porta-voz adjunto do projeto de pesquisa Quantenrepeater.Net (QR.N). Para entender por que isso é importante, ajuda olhar como a comunicação funciona. Se alguém envia uma mensagem pelo WhatsApp ou transmite um vídeo, os dados sempre se baseiam em zeros e uns. A comunicação quântica segue uma ideia semelhante, mas fótons individuais atuam como portadores de informação. Um zero ou um é codificado através da direção da polarização do fóton (ou seja, sua orientação nas direções horizontal e vertical ou em uma superposição de ambos os estados). Como os fótons se comportam de acordo com a mecânica quântica, sua polarização não pode ser medida sem deixar vestígios detectáveis. Qualquer tentativa de interceptar a mensagem seria exposta.
Preparando Redes Quânticas para Fibra Óptica
Outro problema crítico envolve a compatibilidade com a infraestrutura da internet atual. Uma internet quântica acessível dependeria das mesmas fibras ópticas utilizadas atualmente. No entanto, a luz que viaja através da fibra só pode ser transmitida por distâncias limitadas. Sinais convencionais são renovados aproximadamente a cada 50 quilômetros usando um amplificador óptico. A informação quântica não pode ser ampliada ou copiada, o que significa que essa abordagem não funciona. Em vez disso, a física quântica possibilita transferir informação de um fóton para outro enquanto a informação em si permanece desconhecida. Esse fenômeno é chamado de teletransporte quântico.
Desenvolvendo Repetidores Quânticos para Transferência de Longa Distância
Para aproveitar o teletransporte quântico, os cientistas estão projetando repetidores quânticos que podem renovar a informação quântica antes que ela desapareça na fibra. Esses repetidores funcionariam como nós essenciais em uma internet quântica. Criá-los tem sido difícil. O teletransporte requer que os fótons sejam quase idênticos em propriedades como temporização e cor. Produzir tais fótons é complicado porque eles vêm de fontes separadas. “Quanta de luz de diferentes pontos quânticos nunca foram teletransportados antes, porque é extremamente desafiador,” diz Tim Strobel, cientista do IHFG e primeiro autor do estudo.
Como parte do QR.N, sua equipe desenvolveu fontes de luz semicondutoras que emitem fótons que se igualam muito. “Nessas ilhas semicondutoras, certos níveis de energia fixos estão presentes, assim como em um átomo,” diz Strobel. Essa configuração permite a produção de fótons individuais com características bem definidas. “Nossos parceiros no Instituto Leibniz de Pesquisa em Materiais Sólidos e Estado em Dresden desenvolveram pontos quânticos que diferem apenas minimamente,” acrescenta. Isso torna possível gerar fótons quase idênticos em dois locais separados.
Teletransportando Informação Entre Fótons de Diferentes Fontes
Na Universidade de Stuttgart, os pesquisadores conseguiram teletransportar o estado de polarização de um fóton de um ponto quântico para um fóton produzido por um segundo ponto quântico. Um ponto emite um único fóton e o outro gera um par de fótons emaranhados. “Emaranhado” significa que os dois fótons compartilham um único estado quântico, mesmo quando estão fisicamente separados. Um fóton do par viaja até o segundo ponto quântico e interage com seu fóton. Quando os dois se sobrepõem, sua superposição transfere a informação do fóton original para o parceiro distante do par emaranhado.
Um elemento chave dessa realização foi o uso de “conversores de frequência quântica,” dispositivos que ajustam pequenas desarmonias de frequência entre os fótons. Esses conversores foram projetados por uma equipe liderada pelo Prof. Christoph Becher, especialista em óptica quântica na Universidade de Saarland.
Trabalhando em Direção a Distâncias Maiores e Maior Precisão
“Transferir informação quântica entre fótons de diferentes pontos quânticos é um passo crucial para interligar distâncias maiores,” explica Michler. Neste experimento, os dois pontos quânticos estavam conectados por cerca de 10 metros de fibra óptica. “Mas estamos trabalhando para alcançar distâncias consideravelmente maiores,” diz Strobel.
Pesquisas anteriores já mostraram que o emaranhado entre fótons de pontos quânticos pode sobreviver a uma transmissão de 36 quilômetros pelo centro da cidade de Stuttgart. A equipe também pretende aumentar a taxa de sucesso do teletransporte, que atualmente está um pouco acima de 70%. Variações dentro de cada ponto quântico ainda causam pequenas inconsistências nos fótons.
“Queremos reduzir isso avançando nas técnicas de fabricação de semicondutores,” diz Strobel. A Dra. Simone Luca Portalupi, líder de grupo no IHFG e uma das coordenadoras do estudo, acrescenta: “Realizar esse experimento tem sido uma ambição de longa data — esses resultados refletem anos de dedicação científica e progresso. É empolgante ver como experimentos focados na pesquisa fundamental estão dando seus primeiros passos em direção a aplicações práticas.”
Um Esforço Nacional para Construir Tecnologia de Repetidores Quânticos
A pesquisa sobre repetidores quânticos recebe financiamento do Ministério Federal de Pesquisa, Tecnologia e Espaço (BMFTR) como parte do projeto “Quantenrepeater.Net (QR.N).” Coordenada pela Universidade de Saarland, a rede QR.N inclui 42 parceiros de universidades, institutos de pesquisa e indústria que colaboram no desenvolvimento e teste da tecnologia de repetidores quânticos em redes de fibra óptica. O programa se baseia em resultados da iniciativa anterior “Quantenrepeater.Link (QR.X)”, também apoiada pela BMFTR (anteriormente BMBF), que ajudou a estabelecer a base para um repetidor quântico nacional de 2021 a 2024. Cientistas da Universidade de Stuttgart desempenharam um papel central em ambos os esforços.
Os experimentos de teletransporte quântico foram realizados sob a liderança do Instituto de Óptica de Semicondutores e Interfaces Funcionais (IHFG) com contribuições do Instituto Leibniz de Pesquisa em Materiais Sólidos (IFW) em Dresden e do grupo de pesquisa em Óptica Quântica da Universidade de Saarland.
