Experimento traduz informação quântica entre tecnologias

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Experimento traduz informação quântica entre tecnologias
Uma cavidade supercondutora de nióbio. Os buracos levam a túneis que se cruzam para prender
a luz e os átomos.
Pesquisadores descobriram uma maneira de “traduzir” informações quânticas entre diferentes tipos de
tecnologias quânticas, com implicações significativas para a computação quântica, comunicação e rede.
A pesquisa, publicada na revista Nature na quarta-feira, foi financiada pelo Escritório de Pesquisa do
Exército (ARO), pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR) e pelo Instituto de
Desenvolvimento Quândico do NSF Quantum Leap Challenge for Hybrid Quantum Architectures and
Networks (HQAN), liderado pela Universidade de Illinois Urbana-Champaign. Ele representa uma nova
maneira de converter informações quânticas do formato usado pelos computadores quânticos para o
formato necessário para a comunicação quântica.
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05740-2
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Os fótons – partículas de luz – são essenciais para as tecnologias da informação quântica, mas
diferentes tecnologias as usam em diferentes frequências. Por exemplo, algumas das tecnologias de
computação quântica mais comuns são baseadas em qubits supercondutores, como os usados pelos
gigantes da tecnologia Google e IBM; esses qubits armazenam informações quânticas em fótons que se
movem em frequências de microondas.
Mas se você quiser construir uma rede quântica ou conectar computadores quânticos, você não pode
enviar fótons de microondas porque seu controle sobre suas informações quânticas é muito fraco para
sobreviver à viagem.
“Muitas das tecnologias que usamos para comunicação clássica – telefones celulares, Wi-Fi, GPS e
coisas assim – usam frequências de luz de microondas”, disse Aishwarya Kumar, pós-douto no Instituto
James Franck da Universidade de Chicago e principal autor do artigo. “Mas você não pode fazer isso
para a comunicação quântica porque a informação quântica que você precisa está em um único fóton. E
em frequências de microondas, essa informação será enterrada em ruído térmico.
A solução é transferir a informação quântica para um fóton de maior frequência, chamado de fóton
óptico, que é muito mais resistente contra o ruído ambiente. Mas a informação não pode ser transferida
diretamente do fóton para o fóton; em vez disso, precisamos de matéria intermediária. Alguns
experimentos projetam dispositivos de estado sólido para esse fim, mas o experimento de Kumar visava
algo mais fundamental: os átomos.
Os elétrons nos átomos só podem ter certas quantidades específicas de energia, chamadas níveis de
energia. Se um elétron está sentado em um nível de energia mais baixo, ele pode ser excitado para um
nível de energia mais elevado, atingindo-o com um fóton cuja energia corresponde exatamente à
diferença entre o nível mais alto e mais baixo. Da mesma forma, quando um elétron é forçado a cair para
um nível de energia mais baixo, o átomo emite um fóton com uma energia que corresponde à diferença
de energia entre os níveis.
Os átomos de rubídio têm duas lacunas em seus níveis que a tecnologia de Kumar explora: uma que
exatamente é igual à energia de um fóton de microondas e que exatamente é igual à energia de um
fóton óptico. Usando lasers para mudar as energias do elétron do átomo para cima e para baixo, a
tecnologia permite que o átomo absorva um fóton de microondas com informações quânticas e, em
seguida, emita um fóton óptico com essa informação quântica. Esta tradução entre diferentes modos de
informação quântica é chamada de “transdução”.
O uso eficaz de átomos para esse fim é possível graças ao progresso significativo que os cientistas
fizeram na manipulação de objetos tão pequenos. “Nós, como comunidade, construímos uma tecnologia
notável nos últimos 20 ou 30 anos, o que nos permite controlar essencialmente tudo sobre os átomos”,
disse Kumar. “Então, o experimento é muito controlado e eficiente.”
Ele diz que o outro segredo para o sucesso é o progresso do campo na eletrodinâmica quântica da
cavidade, onde um fóton está preso em uma câmara supercondutora e reflexiva. Forçando o fóton a
saltar em um espaço fechado, a cavidade supercondutora fortalece a interação entre o fóton e qualquer
matéria colocada dentro dela.
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Sua câmara não parece muito fechada – na verdade, ela se assemelha mais a um bloco de queijo suíço.
Mas o que parecem buracos são na verdade túneis que se cruzam em uma geometria muito específica,
de modo que fótons ou átomos podem ser presos em um cruzamento. É um design inteligente que
também permite aos pesquisadores acessar a câmara para que eles possam injetar os átomos e os
fótons.
A tecnologia funciona nos dois sentidos: pode transferir informações quânticas de fótons de microondas
para fótons ópticos e vice-versa. Assim, pode ser de ambos os lados de uma conexão de longa distância
entre dois computadores quânticos de qubit supercondutores e servir como um bloco de construção
fundamental para uma internet quântica.
Mas Kumar acha que pode haver muito mais aplicações para essa tecnologia do que apenas redes
quânticas. Sua capacidade central é enredar fortemente átomos e fótons – uma tarefa essencial e difícil
em muitas tecnologias quânticas diferentes em todo o campo.
“Uma das coisas que estamos realmente entusiasmados é a capacidade desta plataforma de gerar um
emaranhamento realmente eficiente”, disse ele. “O entrelaçamento é central para quase tudo o que nos
importa, da computação às simulações para metrologia e relógios atômicos. Estou animado para ver o
que mais podemos fazer.”