Um avanço recente na tecnologia quântica poderia abrir caminho para uma Internet quântica em escala global, expandindo significativamente o alcance em que os computadores quânticos podem se comunicar entre si. Anteriormente limitados pela distância, os computadores quânticos poderão em breve conectar-se entre continentes graças a um novo método de construção de componentes-chave.
A barreira da distância na comunicação quântica
Os computadores quânticos possuem capacidades de processamento e velocidade notáveis, mas a utilização eficaz desse poder requer uma rede robusta e interconectada. Atualmente, um obstáculo significativo é a dificuldade de conectar esses computadores a longas distâncias. A distância máxima para comunicação através de cabo de fibra óptica estava anteriormente restrita a apenas alguns quilômetros. Para ilustrar, mesmo com cabos de fibra conectando-os, um computador quântico no campus South Side da Universidade de Chicago não conseguiu estabelecer uma conexão com outro localizado na Willis Tower, no centro de Chicago.
Um aumento de 200x no alcance da conexão
Uma pesquisa publicada hoje na Nature Communications pelo professor assistente Tian Zhong da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) propõe uma solução para esta limitação. O método de Zhong teoricamente estende a distância máxima de conexão para surpreendentes 2.000 quilômetros (1.243 milhas). Essa mudança significa que o mesmo computador quântico da UChicago, anteriormente incapaz de alcançar a Willis Tower, agora pode se conectar e se comunicar com um equivalente em 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 recebeu o prestigiado Prêmio Sturge por seu trabalho.
A ciência por trás da inovação
Conectar computadores quânticos envolve estabelecer um emaranhamento quântico entre átomos transmitidos através de um cabo de fibra. Quanto mais tempo estes átomos emaranhados mantiverem a coerência quântica – essencialmente, a sua capacidade de manter um estado quântico – maior será a distância entre os computadores que podem ser ligados.
Zhong e sua equipe melhoraram significativamente os tempos de coerência quântica, melhorando a fabricação de átomos de érbio, um elemento crucial na criação de emaranhamento. Eles aumentaram os tempos de coerência de 0,1 milissegundos para mais de 10 milissegundos, com uma instância atingindo 24 milissegundos. Essa melhoria teoricamente permitiria que computadores quânticos se conectassem a distâncias de 4.000 quilômetros – aproximadamente a distância do PME da UChicago a Ocaña, na Colômbia.
Não são novos materiais, mas um novo método
A inovação foi sobre novos materiais, mas sim sobre como esses materiais são construídos. Os pesquisadores utilizaram uma técnica chamada epitaxia de feixe molecular (MBE) em vez do tradicional método Czochralski para criar os cristais dopados com terras raras necessários para o emaranhamento quântico.
O método Czochralski, explicou Zhong, é como “um caldeirão” onde os ingredientes são misturados e derretidos a temperaturas extremamente altas (mais de 2.000 graus Celsius) antes de esfriarem lentamente para formar um cristal. Esses cristais são então “esculpidos” quimicamente em componentes de computador. Em contraste, o MBE é mais parecido com a impressão 3D, construindo o cristal camada por camada.
“Começamos do nada e depois montamos este dispositivo átomo por átomo”, disse Zhong. “A qualidade ou pureza deste material é tão alta que as propriedades de coerência quântica destes átomos tornam-se excelentes.”
Adaptando técnicas existentes
Embora MBE seja uma técnica conhecida, ela nunca foi aplicada para criar este tipo específico de material dopado com terras raras. Zhong e sua equipe colaboraram com o professor assistente Shuolong Yang da UChicago PME, especialista em síntese de materiais, para adaptar o MBE para esse fim.
Validação de Especialista
O avanço recebeu elogios dos principais especialistas na área. “A abordagem demonstrada neste artigo é altamente inovadora”, afirmou o professor Dr. Hugues de Riedmatten, do Instituto de Ciências Fotônicas. “Isso mostra que uma abordagem de nanofabricação bem controlada e de baixo para cima pode levar à realização de qubits únicos de íons de terras raras com excelentes propriedades ópticas e de coerência de spin.”
O que vem a seguir?
Zhong e sua equipe estão agora se concentrando em testar se os tempos de coerência estendidos permitem conexões quânticas reais de longa distância. O próximo passo envolve conectar dois qubits – cada um alojado em refrigeradores de diluição separados no laboratório de Zhong – por meio de 1.000 quilômetros de cabo enrolado. Este teste inicial, embora não seja o passo final, será crucial para validar a tecnologia e aproximar a visão de uma Internet quântica global da realidade.
Este avanço representa um passo significativo em direção a um futuro onde os computadores quânticos possam ser perfeitamente interconectados, liberando um poder computacional sem precedentes e impulsionando a inovação em vários campos.
