A new approach for quantum networks involves using vacuum sealed tubes with spaced-out lenses to transport quantum data via photons over long distances. This method, developed by scientists at the University of Chicago and collaborators, aims to enable secure, high-capacity quantum communication across vast distances.
Quantum computers offer powerful ways to improve cybersecurity, communications, and data processing, among other fields. To realize these full benefits, however, multiple quantum computers need to be connected to build quantum networks or a quantum internet. Scientists have struggled to come up with practical methods of building such networks, which must transmit quantum information over long distances.
Para tornar uma rede quântica uma realidade, pesquisadores do Jiang Group na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago propuseram construir longos canais quânticos usando tubos selados a vácuo com uma matriz de lentes espaçadas. Crédito: Jiang Group
Inovando na Comunicação Quântica
Agora, pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago propuseram uma nova abordagem — construir longos canais quânticos usando tubos selados a vácuo com uma matriz de lentes espaçadas. Essas guias de feixe de vácuo, com cerca de 20 centímetros de diâmetro, teriam alcances de milhares de quilômetros e capacidades de 10 trilhões de qubits por segundo, melhor do que qualquer abordagem de comunicação quântica existente. Fótons de luz codificando dados quânticos se moveriam através dos tubos de vácuo e permaneceriam focados graças às lentes.
“Acreditamos que esse tipo de rede é viável e tem muito potencial”, disse Liang Jiang, professor de engenharia molecular e autor sênior do novo trabalho. “Ela não só poderia ser usada para comunicação segura, mas também para construir redes de computação quântica distribuídas , tecnologias de sensoriamento quântico distribuído, novos tipos de telescópios e relógios sincronizados.”
Jiang colaborou com cientistas da Universidade Stanford e do Instituto de Tecnologia da Califórnia no novo trabalho, que foi publicado em 9 de julho na Physical Review Letters .
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University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering Prof. Liang Jiang analisa a rede quântica proposta usando guias de feixe de vácuo, que teriam alcances de milhares de quilômetros e capacidades de 10 trilhões de qubits por segundo, melhor do que qualquer abordagem de comunicação quântica existente. Crédito: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich
Propriedades quânticas e transmissão de dados
Enquanto os computadores clássicos codificam dados em bits convencionais — representados como 0 ou 1 — os computadores quânticos dependem de qubits, que podem exibir fenômenos quânticos. Esses fenômenos incluem superposição — um tipo de combinação ambígua de estados — assim como emaranhamento, que permite que duas partículas quânticas sejam correlacionadas entre si mesmo através de grandes distâncias.
Essas propriedades dão aos computadores quânticos a capacidade de analisar novos tipos de dados e armazenar e repassar informações de maneiras novas e seguras. Conectar vários computadores quânticos pode torná-los ainda mais poderosos, pois suas habilidades de processamento de dados podem ser agrupadas. No entanto, as redes normalmente usadas para conectar computadores não são ideais porque não conseguem manter as propriedades quânticas dos qubits.
“Você não pode enviar um estado quântico por uma rede clássica”, explicou Jiang. “Você pode enviar um pedaço de dados classicamente, um computador quântico pode processá-lo, mas o resultado é então enviado de volta classicamente novamente.”
Alguns pesquisadores testaram maneiras de usar cabos de fibra ótica e satélites para transmitir fótons ópticos, que podem atuar como qubits. Os fótons podem viajar uma curta distância através de cabos de fibra ótica existentes, mas geralmente perdem suas informações rapidamente à medida que os fótons são absorvidos. Os fótons refletidos para os satélites e de volta ao solo em um novo local são menos absorvidos por causa do vácuo do espaço, mas sua transmissão é limitada pela absorção da atmosfera e pela disponibilidade dos satélites.
“O que queríamos fazer era combinar as vantagens de cada uma dessas abordagens anteriores”, disse o aluno de pós-graduação da PME Yuexun Huang, o primeiro autor do novo trabalho. “No vácuo, você pode enviar muitas informações sem atenuação. Mas ser capaz de fazer isso no solo seria o ideal.”
“Acreditamos que esse tipo de rede é viável e tem muito potencial.”
— Professor Liang Jiang
Tubos de vácuo terrestres e informação quântica
Cientistas trabalhando no Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) o Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) construíram enormes tubos de vácuo terrestres para conter fótons de luz em movimento que podem detectar
“data-gt-translate-atributos=”[{[{“atributo”:”dados-cmtooltip”, “formatar”:”HTML->”}]” tabindex=”0″ role=”link”>ondas gravitacionais. Experimentos em
“data-gt-translate-atributos=”[{[{“atributo”:”dados-cmtooltip”, “formatar”:”HTML->”}]” tabindex=”0″ role=”link”>LIGO mostraram que dentro de um vácuo quase livre de moléculas, os fótons podem viajar por milhares de quilômetros.
Inspirados por essa tecnologia, Jiang, Huang e seus colegas começaram a esboçar como tubos de vácuo menores poderiam ser usados para transportar fótons entre computadores quânticos. Em seu novo trabalho teórico, eles mostraram que esses tubos, se projetados e arranjados corretamente, poderiam transportar fótons pelo país. Além disso, eles precisariam apenas de vácuo médio (pressão de 10^-4 atmosferas), o que é muito mais fácil de manter do que o vácuo ultra-alto (pressão de 10^-11 atmosferas) necessário para o LIGO.
“O principal desafio é que, como
“data-gt-translate-atributos=”[{[{“atributo”:”dados-cmtooltip”, “formatar”:”HTML->”}]” tabindex=”0″ role=”link”>fóton se move através do vácuo, ele se espalha um pouco”, explicou Jiang. “Para superar isso, propomos colocar lentes a cada poucos quilômetros que podem focar o feixe em longas distâncias sem perda de difração.”
Em colaboração com pesquisadores do Caltech, o grupo está planejando experimentos de mesa para testar a praticidade da ideia e, em seguida, planeja usar tubos de vácuo maiores, como os do LIGO, para trabalhar em como alinhar as lentes e estabilizar os feixes de fótons em longas distâncias.
“Implementar essa tecnologia em uma escala maior certamente coloca alguns desafios de engenharia civil que precisamos descobrir também”, disse Jiang. “Mas o benefício final é que temos grandes redes quânticas que podem comunicar dezenas de terabytes de dados por segundo.”
Referência: “Vacuum Beam Guide for Large Scale Quantum Networks” por Yuexun Huang, Francisco Salces–Carcoba, Rana X. Adhikari, Amir H. Safavi-Naeini e Liang Jiang, 9 de julho de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.020801
Financiamento: Este trabalho foi apoiado pelo Laboratório de Pesquisa do Exército, Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, Fundação Nacional de Ciências, NTT Research, Fundação Packard, Programa de Pesquisa da Família Marshall e Arlene Bennett e Departamento de Energia dos EUA.
