Agora, os pesquisadores do Harvard e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) descobriram uma maneira de corrigir a perda de sinal com um na³ qua¢ntico prota³tipo que pode capturar, armazenar e emaranhar bits de informações qua¢nticas. A pesquisa éo elo que faltava para uma Internet qua¢ntica prática e um grande passo em frente no desenvolvimento de redes qua¢nticas de longa distância.

"Esta demonstração éuma inovação conceitual que pode estender o maior alcance possí­vel de redes qua¢nticas e potencialmente possibilitar muitas novas aplicações de uma maneira que éimpossí­vel com qualquer tecnologia existente", disse Mikhail Lukin , professor de física George Vasmer Leverett e co-autor. diretor da Harvard Quantum Initiative. "Esta éa realização de uma meta que tem sido perseguida por nossa comunidade de ciência e engenharia qua¢ntica hámais de duas décadas."

A pesquisa épublicada na Nature .

Toda forma de tecnologia de comunicação - desde o primeiro telanãgrafo atéa internet de fibra a³ptica de hoje - teve que lidar com o fato de que os sinais se degradam e se perdem quando transmitidos por distâncias. Os primeiros repetidores, que recebem e amplificam sinais para corrigir essa perda, foram desenvolvidos para amplificar os sinais do telanãgrafo com fios desbotados em meados do século XIX. Duzentos anos depois, os repetidores são parte integrante de nossa infraestrutura de comunicações de longa distância.

Em uma rede cla¡ssica, se Alice em Nova York deseja enviar uma mensagem a Bob na Califa³rnia, a mensagem viaja de costa a costa em mais ou menos uma linha reta. Ao longo do caminho, o sinal passa por repetidores, onde élido, amplificado e corrigido para erros. Todo o processo évulnera¡vel a ataques a qualquer momento.

Se Alice quiser enviar uma mensagem qua¢ntica, no entanto, o processo édiferente. As redes qua¢nticas usampartículas qua¢nticas de luz - fa³tons individuais - para comunicar estados qua¢nticos de luz a longas distâncias. Essas redes tem um truque que os sistemas cla¡ssicos não tem: emaranhamento.

O emaranhamento - o que Einstein chamou de "ação assustadora a  distância" - permite que bits de informação sejam perfeitamente correlacionados a qualquer distância. Como os sistemas qua¢nticos não podem ser observados sem mudar, Alice pode usar o emaranhado para enviar uma mensagem a Bob sem medo de bisbilhoteiros. Essa noção éa base para aplicações como criptografia qua¢ntica - segurança que égarantida pelas leis da física qua¢ntica.

A comunicação qua¢ntica a longas distâncias, no entanto, também éafetada pelas perdas convencionais de fa³tons, que são um dos principais obsta¡culos para a realização da Internet qua¢ntica em larga escala. Mas o mesmo princa­pio fa­sico que torna a comunicação qua¢ntica ultra-segura também impossibilita o uso de repetidores cla¡ssicos existentes para corrigir a perda de informações.

Como vocêpode amplificar e corrigir um sinal se não consegue laª-lo? A solução para essa tarefa aparentemente impossí­vel envolve o chamado repetidor qua¢ntico. Ao contra¡rio dos repetidores cla¡ssicos, que amplificam um sinal atravanãs de uma rede existente, os repetidores qua¢nticos criam uma rede departículas emaranhadas atravanãs das quais uma mensagem pode ser transmitida.

Em essaªncia, um repetidor qua¢ntico éum pequeno computador qua¢ntico para fins especiais. Em cada esta¡gio dessa rede, os repetidores qua¢nticos devem ser capazes de capturar e processar bits qua¢nticos de informações qua¢nticas para corrigir erros e armazena¡-los por tempo suficiente para que o restante da rede esteja pronto. Atéagora, isso era impossí­vel por dois motivos: primeiro, édifa­cil capturar fa³tons aºnicos. Segundo, a informação qua¢ntica énotoriamente fra¡gil, tornando muito difa­cil processar e armazenar por longos períodos de tempo.

O laboratório de Lukin, em colaboração com Marko Loncar, professor de engenharia elanãtrica da Tiantsai Lin na Harvard John A. Paulson Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS), Hongkun Park, Mark Hyman Jr. professor de química na Faculdade de Artes de Harvard e Sciences (FAS) e Dirk Englund, professor associado de engenharia elanãtrica e ciência da computação no MIT, tem trabalhado para aproveitar um sistema que pode executar essas duas tarefas bem - centros de cores com vaca¢ncia de sila­cio em diamantes.

Esses centros são pequenos defeitos na estrutura atômica de um diamante que podem absorver e irradiar luz, dando origem a s cores brilhantes de um diamante.

"Nos últimos anos, nossos laboratórios tem trabalhado para entender e controlar os centros de cores individuais com vaca¢ncia de sila­cio, principalmente sobre como usa¡-los como dispositivos de memória qua¢ntica para fa³tons aºnicos", disse Mihir Bhaskar, uma Escola de Artes e Ciências ( GSAS) no grupo Lukin.

Os pesquisadores integraram um centro de cores individual em uma cavidade de diamante nanofabricada, que limita os fa³tons que contem informações e os força a interagir com o aºnico centro de cores. Eles então colocaram o dispositivo em um refrigerador de diluição, que atinge temperaturas próximas ao zero absoluto, e enviaram fa³tons individuais atravanãs de cabos de fibra a³tica para o refrigerador, onde foram capturados e presos com eficiência pelo centro de cores.

O dispositivo pode armazenar as informações qua¢nticas por milissegundos - tempo suficiente para que as informações sejam transportadas por milhares de quila´metros. Eletrodos embutidos ao redor da cavidade foram utilizados para fornecer sinais de controle para processar e preservar as informações armazenadas na memória.

"Este dispositivo combina os três elementos mais importantes de um repetidor qua¢ntico - uma memória longa, a capacidade de capturar informações com fa³tons com eficiência e uma maneira de processa¡-las localmente", disse Bart Machielse, estudante do GSAS no Laborata³rio de a“tica em Nanoescala. "Cada um desses desafios foi tratado separadamente, mas nenhum dispositivo combinou os três".