Pesquisadores da Universidade Sorbonne em Paris conseguiram uma transferaªncia altamente eficiente de emaranhamento qua¢ntico para dentro e para fora de dois dispositivos de memória qua¢ntica. Essa conquista traz um ingrediente chave para a escalabilidade de uma futura internet qua¢ntica.

Uma internet qua¢ntica que conecta vários locais éuma etapa fundamental nos roteiros de tecnologia qua¢ntica em todo o mundo. Neste contexto, o European Quantum Flagship Program lançou a Quantum Internet Alliance em 2018. Este consãorcio coordenado por Stephanie Wehner (QuTech-Delft) écomposto por 12 grupos de pesquisa lideres em universidades de oitopaíses europeus, em estreita cooperação com mais de 20 empresas e institutos . Eles combinaram seus recursos e áreas de especialização para desenvolver um projeto para uma futura Internet qua¢ntica e as tecnologias necessa¡rias.

Uma internet qua¢ntica usa um fena´meno qua¢ntico intrigante para conectar diferentes nosem uma rede. Em uma conexão de rede normal, os nostrocam informações enviando elanãtrons ou fa³tons para frente e para trás, tornando-os vulnera¡veis ​​a espionagem. Em uma rede qua¢ntica, os nossão conectados por emaranhamento , a famosa "ação fantasmaga³rica a  distância" de Einstein. Essas correlações não cla¡ssicas em grandes distâncias permitiriam não apenas comunicações seguras além da transmissão direta, mas também computação qua¢ntica distribua­da ou detecção aprimorada.

No entanto, um grande desafio na construção de redes qua¢nticas em grande escala éa capacidade de gerar tais correlações entre nosdistantes. Em princa­pio, esse desafio pode ser superado se o emaranhamento for armazenado de forma confia¡vel em dispositivos de memória qua¢ntica . Ao dividir a longa distância em vários segmentos mais curtos, épossí­vel criar emaranhamento entre as extremidades desses elos elementares e, em seguida, conecta¡-los atéque ambos os nosiniciais estejam emaranhados. Os dispositivos de memória qua¢ntica armazenam o emaranhamento, garantindo que o emaranhamento tenha sido criado em todos os segmentos antes de realizar as conexões. Este protocolo éconhecido como repetidor qua¢ntico.

Um para¢metro crítico éa eficiência dos dispositivos de memória qua¢ntica: se um dispositivo falhar em registrar ou recuperar a luz emaranhada, o repetidor qua¢ntico não funcionara¡ corretamente. Por exemplo, um aumento na eficiência de armazenamento e recuperação de 60% para 90% diminui drasticamente o tempo manãdio para a distribuição de emaranhamento em uma distância de 600 quila´metros, normalmente em duas ordens de magnitude. Um dos objetivos do consãorcio QIA éestabelecer as bases para a tecnologia de repetidor qua¢ntico, construindo dispositivos de memória altamente eficientes para emaranhamento usando diferentes plataformas físicas.

Na edição online de outubro de 2020 da Optica , o Prof. Julien Laurat e sua equipe no Laborata³rio Kastler Brossel (Sorbonne Universitanã, CNRS, ENS-UniversitéPSL, Colla¨ge de France) relataram um passo hámuito aguardado para este empreendimento. Eles demonstraram o armazenamento e a recuperação de feixes de luz emaranhados em dois dispositivos de memória qua¢ntica, com uma eficiência geral de até85%. Este valor constitui um aumento de mais de três vezes em relação a trabalhos anteriores no campo.

"Essa conquista éo resultado de 10 anos de desenvolvimentos experimentais em nosso laboratório. Agora abre o caminho para uma investigação mais aprofundada, já que muitas arquiteturas de rede potenciais assumem esse valor de eficiência para escalabilidade", disse Fanãlix Hoffet, Ph.D. estudante do LKB e um dos principais autores do artigo.

O experimento de Paris envolveu um conjunto muito alongado de a¡tomos de canãsio resfriados a laser e foi baseado no protocolo chamado transparaªncia induzida eletromagneticamente. Um feixe de laser de controle torna o meio transparente e desacelera o sinal de luz que carrega as informações. Quando o sinal estãocontido no conjunto e o feixe de controle édesligado, a informação éconvertida em uma excitação coletiva dos a¡tomos, que éarmazenada atéque os feixes de controle sejam ligados novamente. A equipe de Laurat primeiro gerou dois feixes de luz que estãoemaranhados e depois os mapeou em duas memórias seguindo este protocolo. Usando transições atômicas especa­ficas e alcana§ando uma absorção muito grande em cada memória, os pesquisadores foram capazes de escrever e ler o emaranhamento com eficiência sem precedentes,

"Nossa eficiência recorde exigiu primeiro um grande esfora§o tea³rico para compreender melhor os fatores limitantes em nossa implementação anterior e, em seguida, um tour-de-force experimental para combinar todos os ingredientes necessa¡rios juntos", acrescenta Mingtao Cao, ex-bolsista de pa³s-doutorado da Marie Curie e outro autor principal do artigo. Alexandra Sheremet, ex-Marie Curie Fellow e também autora do artigo, desempenhou um papel fundamental na simulação de todo o processo e levando em consideração a complexidade dos maºltiplos na­veis de energia neste sistema ata´mico.

O trabalho relatado em Optica éum trampolim para futuras investigações. No entanto, o caminho para a construção de redes em grande escala ainda érepleto de desafios. Por exemplo, dispositivos de memória qua¢ntica eficientes também precisam ter longos tempos de armazenamento para criar emaranhamento mais rápido do que se perde. Esse recurso crítico também pode vir com a capacidade de armazenar diferentes informações em paralelo. O consãorcio QIA estãolidando com esses vários aspectos, tanto tea³rica quanto experimentalmente. A equipe do Prof. Laurat em Paris estãose concentrando, por exemplo, no desenvolvimento de memórias "espacialmente multiplexadas" que podem armazenar vários estados ao mesmo tempo para paralelizar conexões qua¢nticas.