Em um experimento inédito, engenheiros da Universidade da Pensilvânia trouxeram a rede quântica para fora do laboratório e a implementaram em cabos de fibra ótica comerciais, utilizando o mesmo Protocolo de Internet (IP) que impulsiona a web atual. Reportado na Science, o trabalho demonstra que sinais quânticos frágeis podem operar na mesma infraestrutura que transporta o tráfego online cotidiano. A equipe testou sua abordagem na rede de fibra ótica do campus da Verizon.
A pequena “Q-chip” da equipe da Pensilvânia coordena dados quânticos e clássicos e, de forma crucial, fala a mesma linguagem da web moderna. Essa abordagem pode abrir caminho para um futuro “internet quântica”, que os cientistas acreditam que um dia poderá ser tão transformadora quanto o surgimento da era online.
Sinais quânticos dependem de pares de partículas “entrelaçadas”, tão intimamente ligadas que alterar uma afeta imediatamente a outra. Aproveitar essa propriedade poderia permitir que computadores quânticos se conectassem e unissem seu poder de processamento, possibilitando avanços como inteligência artificial mais rápida e eficiente em termos de energia, ou o desenvolvimento de novos medicamentos e materiais além do alcance dos supercomputadores atuais.
O trabalho da Pensilvânia mostra, pela primeira vez em fibra comercial ao vivo, que um chip pode não apenas enviar sinais quânticos, mas também corrigir automaticamente a interferência, agrupar dados quânticos e clássicos em pacotes de estilo padrão da internet, e roteá-los usando o mesmo sistema de endereçamento e ferramentas de gestão que conectam dispositivos cotidianos online.
“Ao mostrar que um chip integrado pode gerenciar sinais quânticos em uma rede comercial ativa como a da Verizon, e fazê-lo utilizando os mesmos protocolos que operam a internet clássica, demos um passo importante em direção a experimentos em maior escala e a uma internet quântica prática”, diz Liang Feng, Professor de Ciência dos Materiais e Engenharia (MSE) e de Engenharia Elétrica e de Sistemas (ESE), e autor sênior do artigo na Science.
Os Desafios de Escalar a Internet Quântica
Erwin Schrödinger, que cunhou o termo “entrelaçamento quântico”, relacionou famoso o conceito a um gato escondido em uma caixa. Se a tampa estiver fechada e a caixa contiver material radioativo, o gato pode estar vivo ou morto. Uma maneira de interpretar a situação é que o gato está tanto vivo quanto morto. Somente abrir a caixa confirma o estado do gato.
Essa paradoxo é aproximadamente análogo à natureza única das partículas quânticas. Uma vez medida, elas perdem suas propriedades incomuns, o que torna extremamente difícil escalar uma rede quântica.
“Redes normais medem dados para direcioná-los ao destino final”, diz Robert Broberg, um doutorando em ESE e coautor do artigo. “Com redes puramente quânticas, você não pode fazer isso, porque medir as partículas destrói o estado quântico.”
Coordenando Sinais Clássicos e Quânticos
Para contornar esse obstáculo, a equipe desenvolveu o “Q-Chip” (abreviação de “Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics”) para coordenar sinais “clássicos”, compostos por fluxos regulares de luz, e partículas quânticas. “O sinal clássico viaja um pouco à frente do sinal quântico”, diz Yichi Zhang, um doutorando em MSE e o primeiro autor do artigo. “Isso nos permite medir o sinal clássico para roteamento, enquanto deixamos o sinal quântico intacto.”
Essencialmente, o novo sistema funciona como uma ferrovia, emparelhando locomotivas de luz regulares com carga quântica. “O ‘cabeçalho’ clássico age como o motor do trem, enquanto a informação quântica viaja atrás em contêineres selados”, diz Zhang. “Você não pode abrir os contêineres sem destruir o que está dentro, mas o motor garante que todo o trem chegue onde precisa ir.”
Como o cabeçalho clássico pode ser medido, todo o sistema pode seguir o mesmo “IP” ou “Protocolo de Internet” que governa o tráfego atual da internet. “Ao incorporar informação quântica na estrutura familiar do IP, mostramos que uma internet quântica poderia literalmente falar a mesma língua que a clássica,” diz Zhang. “Essa compatibilidade é fundamental para escalá-la usando a infraestrutura existente.”
Adaptando a Tecnologia Quântica ao Mundo Real
Um dos maiores desafios para transmitir partículas quânticas em infraestrutura comercial é a variabilidade das linhas de transmissão do mundo real. Ao contrário dos ambientes de laboratório, que podem manter condições ideais, redes comerciais frequentemente enfrentam mudanças de temperatura devido ao clima, bem como vibrações de atividades humanas como construção e transporte, sem mencionar a atividade sísmica.
Para combater isso, os pesquisadores desenvolveram um método de correção de erro que aproveita o fato de que a interferência no cabeçalho clássico afetará o sinal quântico de maneira semelhante. “Como conseguimos medir o sinal clássico sem danificar o quântico,” diz Feng, “podemos inferir quais correções precisam ser feitas ao sinal quântico sem nunca medi-lo, preservando o estado quântico.”
Nos testes, o sistema manteve fidelidades de transmissão acima de 97%, mostrando que poderia superar a interferência e instabilidades que geralmente destroem sinais quânticos fora do laboratório. E como o chip é feito de silício e fabricado utilizando técnicas estabelecidas, ele poderia ser produzido em massa, facilitando a escalabilidade da nova abordagem.
“Nossa rede tem apenas um servidor e um nó, conectando dois edifícios, com cerca de um quilômetro de cabo de fibra ótica instalado pela Verizon entre eles,” diz Feng. “Mas tudo que você precisa fazer para expandir a rede é fabricar mais chips e conectá-los aos cabos de fibra ótica existentes da Filadélfia.”
O Futuro da Internet Quântica
A principal barreira para escalar redes quânticas além de uma área metropolitana é que sinais quânticos ainda não podem ser amplificados sem destruir seu entrelaçamento.
Embora algumas equipes tenham demonstrado que “chaves quânticas,” códigos especiais para comunicação ultra-segura, podem viajar longas distâncias por fibra comum, esses sistemas usam luz coerente fraca para gerar números aleatórios que não podem ser copiados, uma técnica que é altamente eficaz para aplicações de segurança, mas não é suficiente para conectar processadores quânticos reais.
Superar esse desafio exigirá novos dispositivos, mas o estudo da Pensilvânia fornece um passo inicial importante: mostrar como um chip pode operar sinais quânticos sobre fibra comercial existente utilizando roteamento de pacotes estilo internet, com comutação dinâmica e mitigação de erros em chip que funcionam com os mesmos protocolos que gerenciam as redes atuais.
“Isso se sente como os primeiros dias da internet clássica nos anos 90, quando as universidades começaram a conectar suas redes,” diz Broberg. “Isso abriu a porta para transformações que ninguém poderia prever. Uma internet quântica tem o mesmo potencial.”
Este estudo foi conduzido na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia e foi apoiado pela Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF12960 e DOI 10.37807), Office of Naval Research (N00014-23-1-2882), National Science Foundation (DMR-2323468), Olga e Alberico Pompa Endowed Professorship, e PSC-CUNY award (ENHC-54-93).
Co-autores adicionais incluem Alan Zhu, Gushi Li e Jonathan Smith da Universidade da Pensilvânia, e Li Ge da City University of New York.
