Os computadores quânticos podem realizar certos cálculos a velocidades surpreendentes, mas conectá-los a longas distâncias tem sido um dos principais obstáculos à construção de redes quânticas grandes e confiáveis.
Até recentemente, dois computadores quânticos só podiam ser conectados por um cabo de fibra óptica com extensão de alguns quilômetros. Essa limitação significa que o sistema do campus South Side da Universidade de Chicago não pode se comunicar com o sistema da Willis Tower, mesmo que os dois estejam na mesma cidade. Para a tecnologia atual, esta distância é simplesmente grande demais.
Um novo estudo publicado em 6 de novembro comunicações da natureza Assistente da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME). O professor Tanaka sugere que esta fronteira pode ser levada muito mais longe. O trabalho da sua equipa mostra que as conexões quânticas poderiam, teoricamente, estender-se até 2.000 quilómetros (1.243 milhas).
Dessa forma, o computador quântico da Universidade de Chicago, que antes era inacessível à Willis Tower, pode ser conectado ao dispositivo localizado nos arredores de Salt Lake City, Utah.
“Pela primeira vez, a tecnologia para construir uma Internet quântica em escala global está ao nosso alcance”, disse Zhong, que recentemente ganhou o prestigioso Prêmio Sturge por esta pesquisa.
Por que a coerência quântica é importante
Para criar redes quânticas de alto desempenho, os pesquisadores devem emaranhar átomos e manter esse emaranhado à medida que os sinais são transmitidos através de cabos de fibra óptica. Quanto maior o tempo de coerência desses átomos emaranhados, mais distantes estão os computadores quânticos conectados.
Neste novo estudo, a equipe do professor Zhong aumentou com sucesso o tempo de coerência de um único átomo de érbio de 0,1 milissegundos para mais de 10 milissegundos. Em um experimento, eles alcançaram 24 milissegundos de consistência. Em condições ideais, essa melhoria poderia permitir a comunicação entre computadores quânticos localizados a aproximadamente 4.000 quilômetros de distância, a distância entre a PME da Universidade de Chicago e Ocaña, na Colômbia.
Construindo os mesmos materiais de novas maneiras
A equipe não mudou para materiais desconhecidos ou exóticos. Em vez disso, eles reimaginam como os materiais podem ser construídos. Eles usaram um método chamado epitaxia por feixe molecular (MBE) em vez do método Czochralski padrão para produzir os cristais dopados com terras raras necessários para o emaranhamento quântico.
“O método tradicional de fabricar este material é essencialmente através de um forno”, disse Zhong, referindo-se ao método Czochralski. “Você adiciona as proporções certas dos ingredientes e derrete tudo. Chega a mais de 2.000 graus Celsius e depois esfria lentamente, formando cristais do material.”
Os pesquisadores então esculpiram quimicamente os cristais resfriados para transformá-los em componentes utilizáveis. Chung compara isso a um escultor esculpindo mármore até que a forma final surja.
MBE conta com uma ideia muito diferente. É semelhante à impressão 3D, mas em escala atômica. O processo deposita cristais em camadas extremamente finas, formando em última análise a estrutura precisa necessária para o dispositivo.
“Começamos do zero e montamos o dispositivo átomo por átomo”, disse Zhong. “A qualidade, ou pureza, deste material é tão alta que a coerência quântica destes átomos torna-se extraordinária.”
Embora o MBE tenha sido usado em outras áreas da ciência dos materiais, ele nunca foi aplicado a este tipo de materiais dopados com terras raras. Para este projeto, Zhong trabalhou com um associado PME da Universidade de Chicago, especialista em síntese de materiais. O professor Yang Shuolong adaptou o MBE às suas necessidades.
O professor Hugues de Riedmatten, do Institute of Photon Science, que não esteve envolvido no estudo, descreveu os resultados como um importante passo em frente. “A abordagem demonstrada neste artigo é altamente inovadora”, disse ele. “Isso mostra que métodos de nanofabricação bem controlados e de baixo para cima podem realizar qubits únicos de íons de terras raras com excelentes propriedades ópticas e de coerência de spin, resultando em interfaces spin-fotônicas de longa duração com emissão em comprimentos de onda de telecomunicações, tudo dentro de uma fibra compatível arquitetura de dispositivo. Este é um grande avanço que fornece um caminho escalonável interessante para a produção de muitos qubits em rede de maneira controlada. “
Prepare-se para o teste real
A próxima fase do projeto é determinar se tempos de coerência melhorados podem de fato suportar comunicações quânticas de longa distância além dos modelos teóricos.
“Antes de implantarmos a fibra de Chicago a Nova York, iremos testá-la em meu laboratório”, disse Chung.
A equipe planeja usar um rolo de fibra óptica de 1.000 quilômetros para conectar dois qubits em refrigeradores de diluição individual (“geladeiras”) no laboratório de Chung. Esta etapa os ajudará a verificar se o sistema se comporta conforme o esperado antes de passar para uma escala maior.
“Agora estamos construindo o terceiro refrigerador no laboratório. Quando eles forem montados juntos, formarão uma rede local, e primeiro realizaremos experimentos localmente no laboratório para simular como será uma futura rede remota”, disse Zhong. “Isso faz parte do ambicioso objetivo de criar uma verdadeira internet quântica, rumo ao qual estamos alcançando mais um marco.”
