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 espionagem. Mesmo assim, construir uma internet quântica funcional ainda enfrenta 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”.
Seu estudo 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 originários de dois pontos quânticos diferentes”, diz o Prof. Peter Michler, chefe do IHFG e vice-porta-voz do projeto de pesquisa Quantenrepeater.Net (QR.N). Para entender por que isso é importante, é útil olhar para como a comunicação funciona. Seja alguém enviando uma mensagem pelo WhatsApp ou transmitindo um vídeo, os dados sempre dependem de zeros e uns. A comunicação quântica segue uma ideia semelhante, mas fótones 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
Outra questão crítica envolve a compatibilidade com a infraestrutura da internet atual. Uma internet quântica acessível dependeria das mesmas fibras ópticas utilizadas hoje. No entanto, a luz que viaja pela fibra pode ser transmitida apenas por distâncias limitadas. Sinais convencionais são renovados a cada 50 quilômetros usando um amplificador óptico. A informação quântica não pode ser amplificada ou copiada, o que significa que essa abordagem não funciona. Em vez disso, a física quântica possibilita transferir informação de um fóton para outro, desde que a informação em si permaneça 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 exige que os fótons sejam quase idênticos em propriedades, como tempo 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 um grande desafio”, 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 ajustam de perto. “Nessas ilhas semicondutoras, existem certos níveis de energia fixos, 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 de Sólidos e Materiais em Dresden desenvolveram pontos quânticos que diferem apenas minimamente”, acrescenta. Isso torna possível gerar fótons quase idênticos em dois locais separados.
Teleportando 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 fisicamente distantes. 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 a parceira distante do par emaranhado.
Um elemento-chave dessa conquista foi o uso de “conversores de frequência quântica”, dispositivos que ajustam pequenas incompatibilidades de frequência entre os fótons. Esses conversores foram projetados por uma equipe liderada pelo Prof. Christoph Becher, especialista em óptica quântica da Universidade de Saarland.
Trabalhando para Distâncias Maiores e Maior Precisão
“Transferir informação quântica entre fósseis de diferentes pontos quânticos é um passo crucial para cobrir 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 emaranhamento entre fótons de pontos quânticos pode sobreviver a uma transmissão de 36 quilômetros pelo centro da cidade de Stuttgart. A equipe também visa 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 as 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 foi uma ambição de longa data — esses resultados refletem anos de dedicação científica e progresso. É empolgante ver como experimentos focados em 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)”. Coordenado pela Universidade de Saarland, a rede QR.N inclui 42 parceiros de universidades, institutos de pesquisa e indústrias que colaboram no desenvolvimento e teste da tecnologia de repetidores quânticos em redes de fibra óptica. O programa baseia-se em resultados da iniciativa anterior “Quantenrepeater.Link (QR.X)”, também apoiada pelo 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 de Sólidos e Materiais (IFW) em Dresden e do grupo de pesquisa em Óptica Quântica da Universidade de Saarland.
