1266: Estamos cada vez mais próximos do tele-transporte quântico complexo

CIÊNCIA

(CC0/PD) insspirito / pixabay

Uma equipa de cientistas austríacos desenvolveu novos métodos para aperfeiçoar o domínio experimental de sistemas quânticos complexos – fundamentais para o futuro de tecnologias como computadores quânticos e criptografia quântica, e que poderão permitir o  tele-transporte de sistemas quânticos complexos.

Nos últimos anos, grandes empresas como a Google e a IBM têm competido com institutos de investigação em todo o mundo para produzir bits quânticos entrelaçados – que, tal como os bits normais nos computadores convencionais, são a menor unidade de informação em sistemas quânticos – em quantidades cada vez maiores. O objectivo: desenvolver um computador quântico funcional.

De acordo com um novo estudo, publicado a 29 de Outubro na revista Nature, físicos da Universidade de Viena e da Academia de Ciência da Áustria propuseram-se a usar sistemas quânticos mais complexos do que os bits quânticos entrelaçados bidimensionais para aumentar a capacidade de informação transmitida com o mesmo número de partículas.

Para aumentar esta capacidade, a nova investigação concentrou-se na sua complexidade, em vez de aumentar apenas o número de partículas envolvidas.

“A diferença na nossa experiência é que, pela primeira vez, envolve três fotões além da natureza bidimensional convencional”, explicou o principal autor do estudo, Manuel Erhard.

A equipa de cientistas usou sistemas quânticos com mais de dois estados possíveis – neste caso particular, o momento angular de partículas de luz individuais. Estes fotões individuais têm uma capacidade de informação mais alta que os bits quânticos.

O entrelaçamento dessas partículas, contudo, mostrou-se difícil ao nível conceptual. Mas os investigadores superaram o desafio utilizando um algoritmo de computador, chamado Melvin, que procura uma implementação experimental. Desta forma, determinaram a melhor configuração experimental para produzir o entrelaçamento.

Depois de algumas simplificações na configuração experimental, os físicos ainda enfrentaram grandes desafios tecnológicos. Para resolvê-los, usaram tecnologia laser de última geração e uma multi-porta especialmente desenvolvida. “Esta multi-porta é o coração da nossa experiência e combina os três fotões para que eles sejam entrelaçados em três dimensões”, explicou Erhard.

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323: A Internet quântica chegou (e não chegou)

Tony Melov / UNSW
Conceito artístico do dispositivo de porta lógica de dois qubits

As maravilhas que a Internet quântica promete são incríveis, mas usar todo o potencial quântico nas comunicações parecia algo muito teórico. Agora, os especialistas acreditam que tudo está a mudar.

Além do potencial de fornecer comunicações mais seguras, usando a estranha habilidade da natureza quântica de vincular objectos distantes e tele-transportar informações entre eles, a Internet quântica poderia, por exemplo, ligar computadores quânticos, ajudar a construir telescópios ultra potentes usando observatórios amplamente separados e estabelecer novas formas de detectar ondas gravitacionais.

Até há pouco tempo, porém, usar todo o potencial quântico nas comunicações parecia algo muito teórico. Mas os especialistas acreditam que tudo está para mudar. Alguns acreditam que, um dia, a Internet quântica irá ultrapassar a Internet como a conhecemos.

“Eu sou pessoalmente da opinião de que no futuro, a maioria – se não todas – as comunicações serão quânticas”, diz o físico Anton Zeilinger, da Universidade de Viena, que liderou uma das primeiras experiências em tele-transporte quântico, em 1997.

Tudo depende dos avanços dos próximos testes e estudos. Neste momento, uma equipa da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, está a construir a primeira rede genuinamente quântica , que irá ligar quatro cidades na Holanda.

O projecto, que será concluído em 2020, poderia ser a versão quântica da ARPANET, a rede de comunicações desenvolvida pelos militares dos EUA no final da década de 1960 que abriu o caminho para a Internet que conhecemos hoje.

Enquanto isso, um projecto à escala continental, chamado Quantum Internet Alliance, pretende expandir o experimento holandês em toda a Europa.

História quântica

A capacidade das partículas quânticas de existir em estados indefinidos – como o famoso gato de Schrödinger, vivo e morto ao mesmo tempo – já é usada há anos para melhorar a criptografia de dados. As primeiras propostas que envolviam este conhecimento quântico na comunicação são da década de 1970.

Stephen Wiesner, então jovem físico da Universidade de Columbia, em Nova York, viu potencial em um dos princípios mais básicos da mecânica quântica, um dos dois Princípios da Incerteza de Werner Heisenberg: é impossível medir uma propriedade de um sistema sem a alterar.

Assim como bits de informações convencionais, que são 0s ou 1s, as rotações de átomos isolados podem apontar para cima ou para baixo. O grande segredo das comunicações quânticas é que estes átomos podem estar em ambos os estados simultaneamente. Estas unidades de informação quântica são geralmente chamadas de bits quânticos ou qubits.

‘No Matter’ Project / Flickr
O Gato de Schrödinger, que está vivo e morto enquanto está dentro da caixa, é um dos paradigmas da Mecânica Quântica

Wiesner apontou que, como as propriedades de um qubit não podem ser medidas sem alterar o seu estado, é impossível fazer cópias exactas ou “clones” de um qubit. Caso contrário, alguém poderia extrair informações sobre o estado do qubit original sem o afectar, simplesmente medindo o seu clone.

Esta proibição tornou-se conhecida como não-clonagem quântica, e é uma benção para a segurança, porque um hacker não pode extrair informações quânticas sem deixar rasto.

Inspirados por Wiesner, em 1984, Charles Bennett, cientista de computação da IBM, e Gilles Brassard, da Universidade de Montreal, no Canadá, criaram um esquema engenhoso pelo qual dois utilizadores poderiam gerar uma chave de criptografia inquebrável, que só eles conhecessem.

Durante a transmissão das informações de um para o outro, eles podiam medir a chave e verificar que a transmissão não tinha sido perturbada pelas medidas de um espião.

Em 1989, Bennett liderou a equipa que demonstrou esta “distribuição de chave quântica” (QKD) experimentalmente. Hoje, os dispositivos QKD que utilizam esquemas semelhantes estão comercialmente disponíveis e são normalmente vendidos a organizações financeiras ou governamentais.

A ID Quantique, por exemplo, uma empresa fundada em 2001 em Genebra, na Suíça, construiu um vínculo quântico que protege os resultados das eleições suíças há mais de dez anos.

Codificação quântica

O ano passado, o satélite Micius, da China, criado pela física Jian-wei Pan, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, realizou algumas das demonstrações mais chamativas desta abordagem.

Usando uma variante do protocolo de Bennett e Brassard, a nave espacial criou duas chaves, enviando uma para uma estação terrestre em Pequim e outra para Viena, quando passou por cima da cidade. Um computador de bordo combinou as duas chaves secretas para criar uma nova, clássica.

Armados com as suas chaves privadas, as equipas de Viena e Pequim puderam chegar a essa chave combinada, subtraindo essencialmente a sua própria, e determinando então qual era a chave secreta do outro ponto.

Em Setembro passado, Pan e Zeilinger usaram essa abordagem para configurar a primeira conversa intercontinental de vídeo a ser assegurada com uma chave quântica.

Jian-wei Pan, C. Bickel / Science

Satélites como o Micius podem ajudar a enfrentar um dos principais desafios para garantir a comunicação quântica hoje: a distância. Os fotões necessários para criar uma chave de criptografia podem ser absorvidos pela atmosfera ou – no caso de redes terrestres – por uma fibra óptica, o que torna a transmissão quântica impraticável após alguns quilómetros.

Como os estados quânticos não podem ser copiados, não é uma opção enviar várias cópias de um qubit com a esperança de que pelo menos um chegue. Assim, actualmente, criar links QKD de longa distância requer a construção de nós confiáveis para actuar como intermediários. Satélites de passagem podem reduzir o número de nós confiáveis  necessários para conectar pontos distantes.

Pan diz que os nós confiáveis ​​já são um passo em frente para algumas aplicações, porque reduzem o número de pontos nos quais uma rede é vulnerável a ataques.

Ligações quânticas

Mas as redes que envolvem nós confiáveis ​​são apenas parcialmente quânticas. A física quântica desempenha um papel apenas na forma como os nós criam a chave de criptografia.

A criptografia e a transmissão subsequentes de informações são inteiramente clássicas. Uma verdadeira rede quântica seria capaz de aproveitar o emaranhamento e o tele-transporte para transmitir informações quânticas a longas distâncias, sem a necessidade de nós ​​confiáveis vulneráveis.

Uma das principais motivações para a construção de tais redes é permitir que os computadores quânticos conversem uns com os outros, tanto entre países como numa única sala.

O número de qubits que podem ser empacotados em qualquer sistema computacional pode ser limitado, pelo que que uma rede de sistemas pode ajudar os físicos a dimensioná-los.

“Neste ponto, é justo dizer que provavelmente seremos capaz de construir um computador quântico com talvez um par de centenas de qubits”, diz Mikhail Lukin, físico da Universidade de Harvard em Cambridge, nos EUA. “Mas além disso, a única maneira de fazer isso é usar esta abordagem modular, envolvendo comunicações quânticas”.

Numa escala maior, os pesquisadores imaginam uma nuvem de computação quântica, com algumas máquinas altamente sofisticadas acessíveis através de uma Internet quântica da maioria dos laboratórios universitários.

“A coisa mais interessante é que esta computação quântica da nuvem também é segura”, diz Ronald Hanson, físico experimental na Delft. “As pessoas no servidor não conseguem saber qual o tipo de programa que a executar e os dados que possuímos”.

Impacto científico

Os pesquisadores apresentaram uma infinidade de outras propostas para aplicações na Internet – como leilões, eleições, negociações de contratos e negociação de velocidade – que poderiam explorar os fenómenos quânticos, por serem mais rápidos ou mais seguros do que os seus equivalentes clássicos.

Mas o maior impacto de uma Internet quântica pode ser na própria ciência. A sincronização de relógios usando o emaranhamento poderia melhorar a precisão das redes de navegação da rede GPS, da escala dos metros para milímetros.

Lukin e outros cientistas propuseram usar o emaranhamento para combinar relógios atómicos distantes num único relógio com precisão amplamente melhorada, o que, diz o cientista, poderia levar a novas formas de detectar ondas gravitacionais, por exemplo.

Na astronomia, as redes quânticas podem ligar telescópios ópticos distantes em milhares de quilómetros. Este processo, chamado interferometria de linha de base muito longa, é aplicado de forma rotineira na radioastronomia, mas operar em frequências ópticas requer uma precisão de tempo que está actualmente fora de alcance.

Comunicação realmente à distância

A beleza do tele-transporte quântico é que a informação quântica tecnicamente não viaja pela rede. Os fotões que viajam são usados ​​apenas para estabelecer um link entre os dados para que a informação quântica possa ser transferida.

Se um par de fotões emaranhados não conseguir estabelecer uma ligação, outro par consegui-lo-á. Isso significa que a informação quântica não é perdida se os fotões se perderem.

Uma Internet quântica seria capaz de produzir emaranhamento a pedido entre dois utilizadores numa rede. Os cientistas pensam que isso envolverá o envio de fotões através de redes de fibra óptica e links de satélites. Mas ligar utilizadores distantes exigirá tecnologia que possa ampliar o alcance do emaranhamento – e retransmiti-lo de utilizador para utilizador, através de pontos intermédios.

Felizmente para as pessoas que ambicionam aumentar as comunicações quânticas, os requisitos para o desenvolvimento de um repetidor podem ser menos exigentes do que os necessários para um computador quântico.

Iordanis Kerenidis, investigador de computação quântica da Universidade de Paris Diderot, abordou essa questão numa conferência sobre repetidores quânticos em Seefeld, na Áustria, em Setembro do ano passado.

“Se dissermos aos experimentalistas que precisamos de mil qubits, eles vão rir-se”, diz Kerenidis. “Se lhes dissermos que precisamos de dez, bem, vão rir-se menos”.

A perspectiva de criar uma Internet quântica agora é uma questão da engenharia de sistemas. “De um ponto de vista experimental, os blocos de construção para redes quânticas já forma demonstrados”, diz Tracy Northup, física da Universidade de Innsbruck, na Áustria, cuja equipa faz parte da Aliança Pan-Europeia de Internet Quântica.

“Mas colocá-los num só lugar – todos nós vemos quão desafiante isso é”, afirma Northup.

Alguns cientistas advertem contra o excesso do potencial alcance da tecnologia. “A Internet de hoje nunca será inteiramente quântica, nem os computadores serão todos quânticos”, diz Nicolas Gisin, físico da Universidade de Genebra, na Suíça, e co-fundador da ID Quantique.

Às vezes, algo parece ser uma óptima ideia no início, mas entretanto acaba por ser facilmente realizável sem um efeito quântico”, diz Norbert Lütkenhaus, físico da Universidade de Waterloo, no Canadá, que está a ajudar a desenvolver padrões para o futuro da Internet quântica.

Só o tempo dirá se as promessas da Internet quântica se concretizarão. Sabemos que o tele-transporte é um fenómeno que, embora fisicamente possível, não ocorre na natureza, diz Zeilinger. “Isso é realmente novo para a humanidade. Pode levar algum tempo”.

(dr) THEHOLYWEB

ZAP // HypeScience / Nature

Por HS
26 Fevereiro, 2018

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48: Cientistas tele-transportam complexos padrões de luz

Envolver as mensagens nas estranhas significações quânticas é uma óptima maneira de evitar a espionagem furtiva, mas a linguagem, na forma actual, está mais para o código Morse do que para uma banda larga ADSL de alta velocidade.

Isso poderia mudar com um avanço radical na tecnologia quântica, que copia padrões de luz emaranhados, para ajudar a transmitir códigos quânticos. Assim abrir-se-ia um potencial caminho para garantir a troca de informações com um número infinito de canais, para enviar transmissões criptografadas.

Uma equipa de cientistas escoceses e sul-africanos forneceu a primeira demonstração experimental de algo chamado “troca de emaranhamento“, o que lhes permitiu transmitir o momento angular orbital (OAM) de fotões de luz até mais longe do que antes.

Dados quânticos podem, agora, ser retransmitidos através de uma série de fotões, reduzindo o risco de perda de conteúdo e permitindo que eles usem melhor os padrões espaciais da luz para transportar mais dados.

Durante a maior parte do último século, aceitamos – ou quase – que só podemos descrever as propriedades de uma partícula no contexto do sistema que a mede. Se uma partícula não colide com coisas que nos permitam dar a essas propriedades um número, ela continua a existir num estado desfocado de probabilidades infinitas.

Aqui está a parte estranha: se essa partícula interage com outra de alguma forma antes de ser medida, pode-se afirmar que a outra partícula também faz parte desse sistema de medição. Dizemos, por isso, que ambas estão emaranhadas.

Medir as propriedades da primeira partícula é o que a faz sair de um “talvez” para uma certeza. Essa medição também transformou o parceiro emaranhado de um “talvez” para uma certeza exactamente ao mesmo tempo.

Einstein deduziu que faltava algo nessa teoria, descartando-a e chamando-a de “fantasmagórica” em várias ocasiões, mas aqui estamos, depois de quase um século, e isso ainda é um mistério.

No entanto, podemos usar esse estranho processo de emaranhamento para elaborar códigos super complexos que não podem ser interceptados, proporcionando uma segurança extremamente poderosa.

Imagine duas sequências de “talvez” emaranhados (chamadas qubits) em transmissão rumo a dois pontos distintos.

Cada receptor pode informar se a sua própria mensagem sofreu interferência, ao decifrar as propriedades da transmissão e verificando com a outra pessoa se o conteúdo corresponde ao que foi enviado.

Se o resultado não bater certo, alguém trocou os fotões por uma falsificação.
Mas há um problema com tudo isso: transmitir uma sequência de qubits a uma certa distância coloca-os sob o risco de se perderem.

A comunicação quântica tem sido notícia ultimamente com relatos recentes de fotões emaranhados a serem enviados do espaço por meio de um raio laser dividido, capaz de cobrir uma distância de 1.200 quilómetros.

Essa foi uma façanha bastante extrema, mas ainda é uma distância absurdamente curta quando se consideram as redes globais. A transmissão também exigia uma linha de visão directa.

Este novo método envolve, basicamente, um amplificador que pode ser configurado em intervalos regulares, permitindo que as partículas emaranhadas transmitam os estados quânticos. A chave, para isso, é o fenómeno de troca de emaranhamento.

Imagine dois pares de fotões emaranhados – A1 e A2, e B1 e B2. Medir um deles a partir de cada par em conjunto, como A1 e B1, enreda-os no mesmo sistema, num fenómeno conhecido como medição de estado de Bell.

O que isso significa é que A2 e B2 se tornam, em virtude dos anteriores parceiros, agora também enredados, mesmo que nunca tenham entrado em contacto antes.

Esse é o momento de troca do emaranhamento e pode ser a base de um repetidor que permita que as mensagens quânticas de curta distância sejam copiadas rumo a outros destinos, sem serem consideradas como espiãs.

Os estados quânticos geralmente são binários, tornando-o um pouco mais efectivos do que um código Morse, criptografado entre pontos e traços.

Isso não é o fim do mundo, mas se aprendemos algo com a história da Tecnologia da Informação, é que não existe uma grande quantidade de bandwidth, ou largura de banda.

É aí que entra o momento angular orbital, uma espécie de torção de um fotão, não muito diferente da polarização. Em vez de criar mensagens com binários e zeros, ou pontos e traços, o OAM pode ser usado para transportar mais informações por partícula.

Isso não é algo novo por si só, mas anteriormente, o envio de informações codificadas, como este tipo de modo espacial, exigia um grande número de fotões para cobrir a distância.

A troca de emaranhamento significa que esses fotões podem ser enviados sob a repetição de distâncias curtas. Além disso, outros tipos de modos espaciais podem ser potencialmente usados ​​para transportar informações, abrindo caminho para um número praticamente infinito de novos canais.

A mecânica quântica pode ser estranha o suficiente para deixar Einstein com dor de cabeça, mas é melhor habituar-se a isso: o futuro começa a ser cada vez mais fantasmagórico.

Esta pesquisa foi publicada na Nature Communications.

ZAP // HypeScience / Science Alert

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