Teletransporte quântico comunica o estado de um único fóton a dispositivo com bilhões de átomos

O experimento, realizado por pesquisadores neerlandeses e brasileiros, é um importante passo rumo à internet quântica. Artigo a respeito foi publicado em Nature Photonics

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Pesquisadores da Technische Universiteit Delft (TU Delft), nos Países Baixos, e da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), no Brasil, demonstraram que a informação codificada em um bit quântico (qubit), constituído por um único fóton, pode ser teletransportada para o movimento mecânico de um dispositivo optomecânico constituído por bilhões de átomos. A pesquisa oferece um extraordinário horizonte de aplicação tecnológica, como, por exemplo, a criação de repetidores de sinais em uma futura internet quântica. Artigo a respeito foi publicado em Nature Photonics.

“Assim como ocorre na internet clássica, a internet quântica necessitará de uma rede de repetidores de sinais, que distribuirão a informação para qualquer lugar do mundo. Em nosso estudo, obtivemos a transferência fiel de um estado quântico desconhecido para um sistema quântico remoto. Isso nos permite visualizar um cenário de comunicação quântica de longa distância, necessária para a construção de uma futura internet quântica”, explica Thiago Alegre à Agência FAPESP.

Professor do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp), Alegre foi um dos coordenadores do estudo, liderado pelo professor Simon Gröblacher, da TU Delft.

No experimento, um estado quântico arbitrário foi codificado em um qubit fotônico por meio de polarização óptica. O fóton foi então transportado por dezenas de metros de fibra óptica e, depois, teletransportado para dois ressonadores de silício, cada qual com bilhões de átomos. Para isso, os pesquisadores precisaram gerar um estado emaranhado entre os modos mecânicos dos dois micro-osciladores, permitindo a manipulação a longa distância desses estados. Por fim, os pesquisadores demonstraram a confiabilidade do processo, recuperando fielmente o estado quântico original a partir da memória do ressonadores.

O teletransporte quântico já havia sido realizado em outros experimentos. A novidade trazida pelo novo estudo foi a utilização de dispositivos optomecânicos para a recepção do sinal. “Tais dispositivos podem ser projetados para operar com qualquer comprimento de onda, inclusive o infravermelho. Esse é o comprimento de onda com menor perda de transmissão, permitindo assim a maior distância entre os repetidores", informa Gröblacher.

Perspectivas futuras

Segundo Alegre, um próximo passo, com vista a disponibilizar esse resultado para aplicação no mundo real, é projetar sistemas optomecânicos que sejam resilientes a absorções ópticas parasitas. “Isso pode ser feito graças à grande flexibilidade desses dispositivos nanofabricados”, afirma.

A pesquisa atual é um passo largo rumo a uma futura internet quântica híbrida, que funcionaria de forma heterogênea, com vários sistemas físicos se comunicando e realizando diferentes funcionalidades.

“Poderemos ter nós repetidores quânticos optomecânicos conectados a um computador quântico ou memória consistindo em qubits supercondutores ou sistemas quânticos de spin. Todos esses componentes terão de ser compatíveis uns com os outros e operar no mesmo comprimento de onda, a fim de transferir fielmente as informações quânticas”, antevê Gröblacher. “É por isso que este é um trabalho importante, pois foi possível criar uma plataforma versátil capaz de interligar vários desses sistemas”, completa Alegre.

O estudo contou com apoio da FAPESP por meio de quatro projetos (16/18308-0, 18/15580-6,18/25339-4 e 19/01402-1), sendo o mais recente uma Bolsa Estágio de Pesquisa no Exterior (BEPE), concedida ao então aluno de doutorado Rodrigo Benevides, que atualmente realiza estágio de pós-doutorado no Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), na Suíça.

O artigo Optomechanical quantum teleportation pode ser acessado em: www.nature.com/articles/s41566-021-00866-z. A íntegra do texto também está disponível na plataforma arXiv: https://arxiv.org/abs/2104.02080.