O crescente doma­nio dos cientistas sobre a meca¢nica qua¢ntica estãoanunciando uma nova era de inovação. As tecnologias que aproveitam o poder da escala mais minuciosa da natureza mostram um enorme potencial em todo o espectro cienta­fico, desde computadores exponencialmente mais poderosos do que os sistemas lideres de hoje, sensores capazes de detectar matéria escura indescrita­vel e uma internet qua¢ntica praticamente inataca¡vel.

Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia, Freedom Photonics e Purdue University deram passos em direção a uma internet totalmente qua¢ntica , projetando e demonstrando o primeiro analisador de estado Bell para codificação bin de frequência.

Suas descobertas foram publicadas na Optica .

Antes que as informações possam ser enviadas por uma rede qua¢ntica , elas devem primeiro ser codificadas em um estado qua¢ntico . Essas informações estãocontidas em qubits, ou a versão qua¢ntica dos "bits" de computação cla¡ssicos usados ​​para armazenar informações, que se tornam emaranhados, o que significa que residem em um estado no qual não podem ser descritos independentemente um do outro.

O emaranhamento entre dois qubits éconsiderado maximizado quando se diz que os qubits estãoem "estados de sino".

Medir esses estados de Bell éfundamental para executar muitos dos protocolos necessa¡rios para realizar a comunicação qua¢ntica e distribuir o emaranhamento em uma rede qua¢ntica. E embora essas medições tenham sido feitas por muitos anos, o manãtodo da equipe representa o primeiro analisador de estado Bell desenvolvido especificamente para codificação bin de frequência, um manãtodo de comunicação qua¢ntica que aproveita fa³tons aºnicos que residem em duas frequências diferentes simultaneamente.

"Medir esses estados de Bell éfundamental para as comunicações qua¢nticas", disse o cientista pesquisador do ORNL, Wigner Fellow e membro da equipe Joseph Lukens. "Para conseguir coisas como teletransporte e troca de emaranhamento, vocêprecisa de um analisador de estado Bell."

Teletransporte éo ato de enviar informações de uma parte para outra atravanãs de uma distância física significativa, e a troca de emaranhamento refere-se a  capacidade de emaranhar pares de qubits previamente desembaraçados.

"Imagine que vocêtenha dois computadores qua¢nticos conectados por meio de uma rede de fibra a³ptica", disse Lukens. "Por causa de sua separação espacial, eles não podem interagir uns com os outros por conta própria.

"No entanto, suponha que cada um deles possa ser emaranhado com um aºnico fa³ton localmente. Ao enviar esses dois fa³tons pela fibra a³ptica e, em seguida, realizar uma medição do estado de Bell onde eles se encontram, o resultado final seráque os dois computadores qua¢nticos distantes agora estãoemaranhados. — mesmo que nunca tenham interagido. Essa chamada troca de emaranhamento éuma capacidade cra­tica para a construção de redes qua¢nticas complexas."

Embora existam quatro estados de Bell no total, o analisador são pode distinguir entre dois em um determinado momento. Mas tudo bem, pois medir os outros dois estados exigiria adicionar imensa complexidade que atéagora édesnecessa¡ria.

O analisador foi projetado com simulações e demonstrou 98% de fidelidade; a taxa de erro de dois por cento restante éo resultado do rua­do inevita¡vel da preparação aleata³ria dos fa³tons de teste, e não do pra³prio analisador, disse Lukens. Essa incra­vel precisão permite os protocolos de comunicação fundamentais necessa¡rios para caixas de frequência, um foco anterior da pesquisa de Lukens.

No outono de 2020, Lukens e colegas da Purdue mostraram pela primeira vez como os qubits de frequência única podem ser totalmente controlados conforme necessa¡rio para transferir informações por uma rede qua¢ntica.

Usando uma tecnologia desenvolvida no ORNL conhecida como processador de frequência qua¢ntica, os pesquisadores demonstraram portas qua¢nticas amplamente aplica¡veis, ou as operações lógicas necessa¡rias para executar protocolos de comunicação qua¢ntica. Nesses protocolos, os pesquisadores precisam ser capazes de manipular fa³tons de maneira definida pelo usua¡rio, geralmente em resposta a medições realizadas empartículas em outros lugares da rede.

Enquanto as operações tradicionais usadas em computadores cla¡ssicos e tecnologias de comunicação, como AND/OR, operam em zeros e uns digitais individualmente, as portas qua¢nticas operam em superposições simulta¢neas de zeros e uns, mantendo as informações qua¢nticas protegidas a  medida que passam, um fena´meno necessa¡rio para realizar uma verdadeira rede qua¢ntica.

Embora a codificação de frequência e o emaranhamento aparea§am em muitos sistemas e sejam naturalmente compata­veis com a fibra a³tica, o uso desses fena´menos para realizar operações de manipulação e processamento de dados tem se mostrado tradicionalmente difa­cil.

Com o analisador de estado Bell conclua­do, Lukens e seus colegas estãoprocurando expandir para um experimento completo de troca de emaranhamento, que seria o primeiro desse tipo em codificação de frequência. Este trabalho estãoplanejado como parte do projeto Quantum-Accelerated Internet Testbed do ORNL, recentemente premiado pelo DOE.