Os computadores quânticos podem realizar certos cálculos em velocidades notáveis, no entanto, conectá-los por longas distâncias tem sido um dos principais obstáculos para a construção de redes quânticas grandes e confiáveis.
Até recentemente, dois computadores quânticos só podiam ser conectados via um cabo de fibra ao longo de uma extensão de alguns quilômetros. Essa limitação significava que um sistema no campus da Universidade de Chicago, no lado sul da cidade, não conseguia se comunicar com um localizado na Willis Tower, mesmo estando ambos na mesma cidade. A distância era simplesmente grande demais para a tecnologia atual.
Um novo estudo publicado em 6 de novembro na Nature Communications pelo Professor Assistente Tian Zhong da Escola de Engenharia Molecular Pritzker da Universidade de Chicago (UChicago PME) sugere que esse limite pode ser ampliado dramaticamente. O trabalho de sua equipe indica que conexões quânticas poderiam, em teoria, se estender até 2.000 km (1.243 milhas).
Com esse método, o computador quântico da UChicago que antes tinha dificuldades para alcançar a Willis Tower poderia, em vez disso, se conectar a um dispositivo localizado fora de Salt Lake City, Utah.
“Pela primeira vez, a tecnologia para construir uma internet quântica em escala global está ao nosso alcance”, disse Zhong, que recentemente recebeu o prestigiado Prêmio Sturge por essa pesquisa.
Por que a Coerência Quântica é Importante
Para criar redes quânticas de alto desempenho, os pesquisadores devem entrelaçar átomos e manter esse entrelaçamento enquanto os sinais viajam pelos cabos de fibra. Quanto maior o tempo de coerência desses átomos entrelaçados, mais distantes podem ser os computadores quânticos conectados.
No novo estudo, a equipe de Zhong conseguiu aumentar o tempo de coerência de átomos individuais de érbio de 0,1 milissegundos para mais de 10 milissegundos. Em um experimento, eles alcançaram 24 milissegundos de coerência. Sob condições ideais, essa melhoria poderia permitir a comunicação entre computadores quânticos separados por cerca de 4.000 km, a distância entre a UChicago PME e Ocaña, na Colômbia.
Construindo os Mesmos Materiais de uma Nova Forma
A equipe não mudou para materiais desconhecidos ou exóticos. Em vez disso, eles reimaginaram como os materiais foram construídos. Eles produziram os cristais dopados com terras raras necessários para o entrelaçamento quântico usando um método chamado epitaxia por feixe molecular (MBE), em vez do método padrão de Czochralski.
“A maneira tradicional de fazer esse material é essencialmente uma panela derretida,” disse Zhong, referindo-se à abordagem de Czochralski. “Você joga a proporção certa de ingredientes e depois derrete tudo. Isso acontece acima de 2.000 graus Celsius e é resfriado lentamente para formar um cristal de material.”
Depois, os pesquisadores esculpem o cristal resfriado quimicamente para moldá-lo em um componente utilizável. Zhong compara isso a um escultor talhando o mármore até que a forma final emerja.
A MBE baseia-se em uma ideia muito diferente. Assemelha-se à impressão 3D, mas em escala atômica. O processo deposita o cristal em camadas extremamente finas, formando eventualmente a estrutura exata necessária para o dispositivo.
“Começamos do nada e então montamos este dispositivo átomo por átomo,” disse Zhong. “A qualidade ou pureza deste material é tão alta que as propriedades de coerência quântica desses átomos tornam-se superb.”
Embora a MBE tenha sido usada em outras áreas da ciência dos materiais, ela não havia sido aplicada anteriormente a este tipo de material dopado com terras raras. Para este projeto, Zhong colaborou com o especialista em síntese de materiais, o Professor Assistente Shuolong Yang da UChicago PME, para adaptar a MBE às suas necessidades.
O Professor Dr. Hugues de Riedmatten, da Instituição de Ciências Fotonicas, que não participou do estudo, descreveu os resultados como um passo importante. “A abordagem demonstrada neste artigo é altamente inovadora,” disse ele. “Mostra que uma abordagem de nanofabricação bem controlada e de baixo para cima pode levar à realização de qubits com um único íon de terra rara com excelentes propriedades de coerência óptica e de spin, levando a uma interface spin-fóton de longa duração com emissão em comprimento de onda de telecomunicações, tudo em uma arquitetura de dispositivo compatível com fibra. Este é um avanço significativo que oferece uma interessante avenida escalável para a produção de muitos qubits interconectáveis de maneira controlada.”
Preparando-se para Testes no Mundo Real
A próxima fase do projeto é determinar se os tempos de coerência melhorados podem, de fato, suportar a comunicação quântica de longa distância fora dos modelos teóricos.
“Antes de realmente implantar fibra de, digamos, Chicago para Nova York, vamos testá-la apenas dentro do meu laboratório,” disse Zhong.
A equipe planeja conectar dois qubits alojados em refrigeradores de diluição (“fridges”) separados dentro do laboratório de Zhong utilizando 1.000 quilômetros de fibra enrolada. Esta etapa ajudará a verificar se o sistema se comporta conforme esperado antes de passar para escalas maiores.
“Estamos agora construindo o terceiro refrigerador em meu laboratório. Quando tudo estiver pronto, isso formará uma rede local, e primeiro realizaremos experimentos localmente em meu laboratório para simular como seria uma futura rede de longa distância,” disse Zhong. “Tudo isso faz parte do grande objetivo de criar uma verdadeira internet quântica, e estamos alcançando mais um marco em direção a isso.”