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| CRISTAL DE MEMÓRIA QUANTICA |
Três anos atrás, Jian-Wei Pan trouxe um pouco de Star Trek para a Grande Muralha da China. A partir de um local perto da base nas colinas ao norte de Pequim, ele e sua equipe de físicos da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) em Hefei apontaram um laser em um detector em um telhado 16 quilômetros de distância, em seguida, utilizaram as propriedades quânticas dos fótons do laser para 'teleportar' informação através do espaço. Na época, foi um recorde mundial de distância para o teletransporte quântico, e um passo importante para o objetivo final da equipe de teletransportar fótons para um satélite.
Se esse objetivo for alcançado, ele vai estabelecer os primeiros elos de uma "internet quântica", que aproveita os poderes da física subatômica para criar uma super-rede de comunicação global. Ele vai confirmar a ascensão da China no campo, a partir de um jogador insignificante a um pouco mais de uma década atrás, para uma potência global: em 2016, à frente da Europa e América do Norte, a China planeja lançar um satélite dedicado à experimentos de ciência quântica. Ela vai oferecer aos físicos uma nova arena para testar os fundamentos da teoria quântica, e explorar como eles se encaixam com a teoria da relatividade geral - a teoria de Einstein muito diferente de espaço, tempo e gravidade.
Pan, tem uma amizade altamente competitiva com Anton Zeilinger, um físico da Universidade de Viena. Zeilinger que foi mentor no PhD de Pan, mas por 7 anos foi seu rival na corrida pela maior distância do teletransporte quântico, e agora é seu colaborador. Uma vez que o satélite for lançado, os dois físicos planejam criar a primeiro rede-quântica intercontinental, ligando a Ásia à Europa por satélite. "Há um velho ditado chinês," Ele que me ensina por um dia é meu pai para a vida '", diz Pan. "Na pesquisa científica, Zeilinger e eu colaboramos de forma igual, mas emocionalmente eu sempre o considerarei como meu ancião respeitado."
Já em Viena os pesquisadores planejam virar a chave sobre o próximo passo em direção a uma versão quântica da Internet. Eles vão construir uma rede que permite aos usuários enviar mensagens uns para os outros como cifras praticamente inquebráveis, com privacidade protegida pelas leis da física quântica. A rede Viena é, reconhecidamente, apenas um protótipo para fins de pesquisa. Também não é contudo uma verdadeira versão quântica da Internet. Embora possa transmitir dados comuns com quantum de segurança, não pode transferir informação quântica, que codifica os estados de objetos que obedecem a regras quânticas.
Tal descoberta pode ainda demorar anos, mas está a cada dia mais perto. Verdade seja dita, não é completamente claro para que a Internet totalmente quântica seria boa. De fato, num primeiro momento, até soa como uma idéia muito ruim. Informação quântica é notoriamente instável. Um objeto tende a viver em uma superposição de estados - por exemplo, um elétron pode girar em duas direções ao mesmo tempo, ou um átomo pode estar simultaneamente em dois lugares diferentes - até a interação com o resto do mundo força o objeto para escolher um estado .
Realidade quântica é um limbo de possibilidades coexistentes. E porque qualquer medição feita de um sistema quântico muda o estado do sistema de forma irreversível, a informação quântica estará diferente a cada vez que for lida. Que torna impossível, por exemplo, copiar, difundir ou fazer backup de dados quânticos. Mas a física excêntrica também pode dar força única para as redes.
Embora cada bit de dados em um computador comum toma o valor 0 ou 1, as unidades de informação quântica, chamado bits quânticos, ou qubits muito em breve, poderá tomar os dois valores ao mesmo tempo. A Internet quântica poderia transferir dados entre software e futuros (e futurista) computadores quânticos, que poderia superar os computadores comuns, executando várias operações de uma só vez, em sobreposição.
E a rede poderia levar a novos tipos de interações sociais - como deixar a física quântica escolher um candidato presidencial que agrada a maioria dos eleitores ou permitindo que as pessoas para doar a uma causa com base no que os outros consideram bom também - e fazê-lo com sigilo absoluto. Talvez - indo em direção do território Star Trek - algum dia uma rede quântica poderia até mesmo "teletransportar" um objeto físico. Todas as informações necessárias para recriar o objeto, tais como a sua forma e energia, seriam transferidos para outro lugar, deixando apenas o caos para trás. Entretanto, a rede de Viena vai demonstrar como a física quântica pode manter informação comum, como um e-mail ou o saldo de uma conta corrente, a salvo de olhares indiscretos. Este último passo em direção à Internet quântica é um backbone de rede limitada, que, muitas vezes, corre na velocidade de um modem 1980. Para ligar para ele, um usuário precisa comprar equipamentos caros e vincular uma fibra óptica a um dos backbones de cinco nós. Mas é um passo. Enquanto isso, a maioria dos ingredientes básicos técnicos de uma Internet verdadeiramente quântica foram agora demonstrados, pelo menos no laboratório.
Em particular, os pesquisadores criaram vários tipos de "memória quântica", em que pulsos de luz viajam através de uma fibra óptica essencialmente reduz a um impasse, uma exigência crucial para a versão quântica de um roteador de Internet.
Por isso, pode ser apenas uma questão de tempo antes que os cientistas possam começar a irradiar coisas - ou pelo menos os dados.
"Estou otimista de que dentro de alguns anos vamos ser capazes de construir pelo menos uma demonstração de laboratório de uma rede quântica", diz Mikhail Lukin da Universidade de Harvard.
Uma chave quântica sólida
Em túneis que se estendem sob Viena e do rio Danúbio, pulsos de luz são transmitidos ao longo de dezenas de quilômetros de fibras ópticas existentes de propriedade do conglomerado de engenharia alemã Siemens.
A colaboração de mais de 40 universidades, empresas e instituições de pesquisa reunem tecnologias que vinculam cinco edifícios da Siemens, quatro deles espalhados por toda a cidade de Viena e 85 km de distância na cidade de St. Pölten. As conexões de prédio a prédio- usam um número de sistemas de criptografia quântica para passar as informações, muitas delas inspiradas por uma versão de criptografia quântica proposto pela primeira vez em 1991 por Artur Ekert , agora na Universidade Nacional de Cingapura.
Como procedimento Ekert, o emissor e o receptor, convencionalmente chamados de Alice e Bob, usam tanto uma conexão quântica e um clássico, que pode ser a Internet ou uma linha telefônica. Através da conexão quântica, Alice e Bob estabelecem uma comum chave de criptografia - uma seqüência de bits de dados secreta que Alice usará para embaralhar a mensagem, e Bob para decifrar isso.
Alice pode então enviar a sua mensagem cripto para Bob através da conexão clássica, por exemplo, como um anexo de e-mail. Para alguém que não conhece a chave, a mensagem de Alice seria parecido com uma seqüência aleatória de bits. Até mesmo o computador mais sofisticado que se possa imaginar não seria capaz de quebrá-la. Mas Bob sabe a chave, para que ele possa decifrar a mensagem. Mantendo a chave secreta como eles criam é a parte crucial, e é aqui que Ekert explora a física quântica - especificamente, um fenômeno estranho chamado entrelaçamento quântico. Na física quântica, cada um dos dois objetos pode existir em seu próprio estado, ou estados dos objetos pode ser preso, o que significa que, embora separados, eles não são independentes uns dos outros. Fótons são partículas elementares que compõem a radiação eletromagnética, incluindo a luz.
Fótons deslocam-se para os lados ao longo de uma fibra óptica. Dois fótons podem mexer em direções independentes, chamados de polarizações lineares. No entanto, dois fótons podem também estarem envolvidos, de modo que, por exemplo, quando um fóton é polarizado verticalmente, o outro deve ser polarizada horizontalmente, e vice-versa. No estilo Ekert de criptografia, um dispositivo laser cria pares de fótons emaranhados e envia (juntamente no cabo de fibra óptica) um fóton de cada par entrelaçado para Alice e outra para Bob. Porque em cada par de fótons têm correlacionado polarizações, Alice e Bob podem agora transformar a informação em uma chave comum, o que, por exemplo, pode conter um 0 para cada fóton polarizado verticalmente e um 1 para cada uma polarização horizontal. No entanto, Alice e Bob também querem ter certeza de que os fótons que estão usando não foram interceptados por um intruso, inevitavelmente conhecida como Eva. Qualquer Eva, que intercepta os fótons, tentando roubar a chave, vai alterar os estados dos fótons ", ou até mesmo destruí-los, já que é impossível medir o estado de um sistema quântico sem alterá-la de forma irreversível.
Alice e Bob, por telefone, então comparam as notas em fótons de seus testes. Se notarem diferenças, eles saberão que Eva esteva lá, então eles vão jogar a chave fora e começar de novo. Sistemas de criptografia quântica já estão disponíveis comercialmente (ou seja Pretty Good Privacy - PGP ). Alguns são de propriedade de instituições bancárias, por exemplo, e um foi usado no ano passado na Suíça, para transmitir dados eleitorais a partir de uma estação de voto eletrônico.
Até agora, porém, esses links foram na sua maioria ponto-a-ponto, em vez de redes com múltiplos usuários. Com uma rede de linhas de quantum criptografados, como a que está sendo construída em Viena, os usuários só precisam de ligação para o nó mais próximo a eles. Quando um usuário quer enviar uma mensagem secreta a outro, a mensagem vai viajar de forma criptografada a partir do primeiro usuário a um nó de entrada. Ali, a mensagem vai ser descodificada e, em seguida, novamente codificado (usando uma nova chave) para ser enviado para o próximo nó.
O mesmo vai acontecer em cada nó no meio, até que a mensagem chegue ao seu destino. A privacidade será garantida, desde que os locais do remetente, o receptor e os nós intermediários fiquem protegidos contra intrusos. (Por roteamento de mensagens através de vários nós simultaneamente e usando alguns truques matemáticos, a rede vai realmente garantir a privacidade, mesmo se um dos nós seja arrombado.) Essa criptografia fragmentada - uma solução também adotada em menor escala em Boston-área quântica de rede estabelecidas em 2003 - é necessária por causa de uma limitação fundamental com a transmissão de fótons.
Quantum RAM
Compartilhando uma chave de criptografia entre dois usuários requer o envio de fótons individuais - fótons emaranhados no caso do esquema de Ekert.
Mas algo tão pequeno como um fóton facilmente se perde ou mesmo é absorvido na fibra óptica de mais alta qualidade, diz Norbert Lütkenhaus da Universidade de Waterloo, no Canadá, um físico que ajudou a rede quântica do projeto de Viena.
"Você perde um metade dos fótons a cada 15 quilômetros", diz ele.
O estabelecimento de uma chave, assim, torna-se mais lento exponencialmente à medida que aumenta a distância. Lütkenhaus calcula que 25 km ainda é uma boa distância para um decente e eficiente comunicação quântica.
No caso de comunicações ópticas comuns, o problema de perda de fóton é facilmente resolvido com a adição de "repetidores" ao longo da linha - aparelhos que recebem pulsos de laser enfraquecidos e substituí-os por outros mais fortes.
Mas repetidores comuns não funcionam para sistemas quânticos tais como fótons individuais.
Por um lado, como pontos de Lukin fora,
"Se você enviou um único fóton, se ele está perdido, não há nada para amplificar".
E se o fóton se chegar ao nó, as leis da física quântica proíbem totalmente copiar seu estado quântico, portanto, algumas das informações do fóton será inevitavelmente perdida.
Em particular, se o fóton estava envolvido com outro fóton em outro lugar, o emaranhamento serão perdidos. Entretanto, em 2001 Lukin e seus colaboradores imaginaram uma maneira de contornar este problema através da criação de pares emaranhados de fótons que são distantes. Se realizado, o seu esquema permitiria comunicação quântica criptografada a longa distância. Se os fótons podem ser enredados em longas distâncias, eles poderiam permitir que as pessoas interagissem de formas que simplesmente não são possíveis dentro do reino da física clássica. Uma potência de emaranhamento é que faz oteletransporte quântico possível. Essa é uma forma quase mágica de transferir o estado quântico de um objeto para outro objeto, possivelmente longe. Diga a Alice tem um X fóton, que ela quer teletransportar para Bob.
Alice também tem um Y fóton, que está enredado com um Z fóton de propriedade de Bob. Alice então faz seus dois X e Y (que está com Bob) fótons interagirem. Dessa forma, o estado de X se envolve com o estado de Y, e, portanto, com o estado de Z. Alice então destrói X e Y, medindo seus estados, e ela chama Bob para dizer-lhe os resultados. Usando essa informação, Bob já pode torcer o estado de Z para torná-lo idêntico ao estado original de X. Alice teve que sacrificar os dois fótons em sua posse, mas, como resultado, Bob tem agora uma cópia exata do fóton original, fóton X. A idéia de Lukin para criar um emaranhamento de longa distância depende ainda de outro truque chamado entrelaçamento de troca. No entrelaçamento de troca, cada uma das duas fontes produzem um par de fótons emaranhados.
Os fótons da primeira fonte, por exemplo A e B, não se misturam com os da segunda fonte, por exemplo C e D. Em seguida, B e C são trazidos para o mesmo detector. Ali, B e C ao interagir são destruídos, levando A e D a se enroscar mesmo que nunca foram próximos uns dos outros. Repetidas aplicações de emaranhamento de troca sobre uma cadeia de nódulos pode criar pares de fótons emaranhados, que são cada vez mais distantes um do outro. Eventualmente, todos os fótons serão destruídos, excepto para os que estão em extremidades opostas da cadeia. Os dois se enredarão. O método parece à prova de falhas no papel, mas na prática, a cada passo, pelo menos, alguns dos fótons tem uma grande chance de se perder. Mas se alguém pudesse de alguma forma armazenar pares de fótons com sucesso, os prendendo enquanto outros pares ainda estão sendo gerados, o emaranhamento de longa distância seria possível a uma velocidade razoável.
A chave para a rede quântica, então, é a capacidade de manter fótons emaranhados em uma espécie de quantum RAM.
Pesque e solte
Em 2001, Lukin e seus colaboradores, e um grupo independente por Harvard liderados por Lene Hau , criaram a primeira memória rudimentar quântica, essencialmente, diminuindo a luz para um rastreamento dentro de nuvens de átomos ( SN: 1/27/01, p. 52 ).
Desde então, diversos grupos têm realizado cada vez mais avançados truques quânticos de memória.
Por exemplo, grupos liderados por Lukin, Alex Kuzmich do Instituto de Tecnologia da Geórgia, em Atlanta e Jeff Kimble , do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena foram capazes de tirar um fóton emitido por uma nuvem de átomos e armazená-lo em outra nuvem de átomos.
E em setembro passado, Christopher Monroe e sua equipe da Universidade de Maryland em College Park foram capazes de enredar dois qubits feitos de íons simples. Mais recentemente, em 6 de março a Nature, uma equipe liderada por Kimble descreveu o que pode ser o tipo mais avançado quântico de memória até à data. Os pesquisadores capturaram dois estados emaranhados de fótons em nuvens de átomos e foram capazes de liberar os estados sobre a demanda.
Os estados de fótons permaneceram presos durante a captura e libertação.
"Nós colocamos o emaranhamento em matéria e em seguida lemos", diz o co-autor Kimble Julien Laurat, que era então um colega de Kimble na Caltech, mas agora está no Pierre e Marie Curie University, em Paris.
Primeiro, Kimble, Laurat e seus colegas prenderam cada um dos fótons virtuais em uma nuvem de átomos de césio. Utilizando um pulso de laser, os físicos deixaram as nuvens transparentes, para permitir que os fótons adentrassem. Quando os físicos tiraram o laser, as nuvens voltaram a ser opacas, prendendo os fótons dentro delas.
Isso forçou os fótons praticamente a ficarem parados, como se seus estados quânticos estivessem emaranhados com os estados quânticos das nuvens.
Assim, as próprias nuvens se envolvem. A equipe foi capaz de armazenar a informação quântica - preservar o emaranhamento - por até 10 microssegundos. Um segundo pulso de laser fez o gás transparente novamente, permitindo que os dois fótons virtuais escapassem e continuassem em seus caminhos. Os físicos foram capazes de verificar que os dois estados de fótons ainda estavam emaranhados. O que está faltando agora, Laurat diz, é a capacidade de emaranhar dois qubits separados por entrelaçamento de troca.
Ainda assim, diz Lukin, o resultado foi um "Passo importante". Em outro resultado recente, Kuzmich e seus colaboradores induziram uma nuvem de átomos a emitir dois fótons de uma vez, com comprimentos de onda que foram otimizados para cada tarefa diferente - para a transmissão através de um fibra óptica e para a armazenagem noutro qubit. Normalmente, fótons individuais emitidos pelas nuvens de átomos tendem a ter comprimentos de onda muito pequenos para telecomunicações eficientes, Kuzmich diz. Segundo Lukin, eventualmente, uma memória quântica prática precisa de algum tipo de suporte sólido para armazenar informações. A este respeito, diz ele, átomo único impurezas em diamante artificial é um dos candidatos mais promissores, uma vez que não exigiria sofisticado laboratório de manusear ( SN:. 4/5/08, p 216 ). A maioria das peças necessárias para montar uma internet quântica existem agora, o desafio será o de fazê-las trabalhar juntas de forma eficiente.
Com a melhor tecnologia disponível até o momento, um protótipo de trabalho pode acabar custando até US$ 100 milhões, e pode ser capaz de enviar apenas 1 qubit por minuto, Kuzmich diz. Uma pergunta mais sensata seria: O que faria uma Internet quântica ser boa? Até agora, a principal motivação para os pesquisadores foi a de fornecer comunicações seguras.
Mas uma internet quântica poderia algum dia fazer coisas que, até recentemente, teria soado como ficção científica completa.
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