Pesquisadores do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague desenvolveram uma nova maneira de criar memória quântica: um pequeno tambor pode armazenar dados enviados com luz em suas vibrações sônicas e depois encaminhar os dados com novas fontes de luz quando necessário novamente. Os resultados demonstram que a memória mecânica para dados quânticos pode ser a estratégia que abre caminho para uma Internet ultrassegura com velocidades incríveis.
A pesquisa foi publicada na revista Physical Review Letters.
Logo abaixo do antigo escritório de Niels Bohr há um porão onde mesas espalhadas são cobertas com pequenos espelhos, lasers e uma aglomeração de todos os tipos de dispositivos conectados por teias de fios e montes de fita adesiva. Parece que o projeto de uma criança foi longe demais, um projeto que seus pais tentaram em vão fazer com que limpassem.
Embora seja difícil para o olho destreinado discernir que estas tabelas são, na verdade, o lar de uma série de projetos de investigação líderes mundiais, o que é importante está a acontecer em mundos tão pequenos que nem mesmo as leis de Newton se aplicam. É aqui que os herdeiros físicos quânticos de Niels Bohr estão desenvolvendo as tecnologias quânticas mais avançadas.
Um desses projetos se destaca – pelo menos para os físicos – pelo fato de que um aparelho visível a olho nu é capaz de atingir estados quânticos. O tambor quântico é uma pequena membrana feita de material cerâmico semelhante ao vidro, com orifícios espalhados em um padrão nítido ao longo de suas bordas.
Quando o tambor é batido com a luz de um laser, ele começa a vibrar, e faz isso tão rapidamente e sem interferência que a mecânica quântica entra em ação. Esta propriedade há muito tempo causou agitação ao abrir uma série de possibilidades tecnológicas quânticas.
Agora, uma colaboração entre várias áreas quânticas do Instituto demonstrou que o tambor também pode desempenhar um papel fundamental para a futura rede de computadores quânticos. Tal como os alquimistas modernos, os investigadores criaram uma nova forma de “memória quântica”, convertendo sinais de luz em vibrações sónicas.
Em seu artigo de pesquisa recém-publicado, os pesquisadores provaram que dados quânticos de um computador quântico emitidos como sinais de luz – por exemplo, através do tipo de cabo de fibra óptica já usado para conexões de internet de alta velocidade – podem ser armazenados como vibrações no tambor e depois encaminhado.
Experimentos anteriores demonstraram aos pesquisadores que a membrana pode permanecer em um estado quântico frágil. Nesta base, eles acreditam que o tambor deve ser capaz de receber e transmitir dados quânticos sem “decoerir”, ou seja, perder o seu estado quântico quando os computadores quânticos estiverem prontos.
“Isso abre grandes perspectivas para o dia em que os computadores quânticos possam realmente fazer o que esperamos que eles façam. A memória quântica provavelmente será fundamental para o envio de informações quânticas a distâncias. Portanto, o que desenvolvemos é uma peça crucial na base de uma Internet do futuro com velocidade quântica e segurança quântica”, afirma o pós-doutorado Mads Bjerregaard Kristensen, do Instituto Niels Bohr, principal autor do novo artigo de pesquisa.
Ultrarrápido, ultrasseguro
Ao transferir informações entre dois computadores quânticos à distância – ou entre muitos em uma Internet quântica – o sinal será rapidamente abafado pelo ruído. A quantidade de ruído em um cabo de fibra óptica aumenta exponencialmente quanto mais longo o cabo for. Eventualmente, os dados não podem mais ser decodificados.
A Internet clássica e outras grandes redes de computadores resolvem este problema de ruído amplificando sinais em pequenas estações ao longo das rotas de transmissão. Mas para que os computadores quânticos apliquem um método análogo, eles devem primeiro traduzir os dados em sistemas numéricos binários comuns, como os usados por um computador comum.
Isto não serve. Fazer isso desaceleraria a rede e a tornaria vulnerável a ataques cibernéticos, já que as chances de a proteção clássica de dados ser eficaz em um futuro de computadores quânticos são muito baixas.
“Em vez disso, esperamos que o tambor quântico seja capaz de assumir esta tarefa. Ele se mostrou muito promissor, pois é incrivelmente adequado para receber e reenviar sinais de um computador quântico. Assim, o objetivo é estender a conexão entre computadores quânticos por meio de estações onde os tambores quânticos recebem e retransmitem sinais e, ao fazer isso, evitar ruídos e, ao mesmo tempo, manter os dados em estado quântico”, diz Kristensen.
“Ao fazer isso, as velocidades e vantagens dos computadores quânticos, por exemplo, em relação a certos cálculos complexos, se estenderão pelas redes e pela Internet, pois serão alcançadas através da exploração de propriedades como superposição e emaranhamento que são exclusivas dos estados quânticos.”
Se forem bem-sucedidas, as estações também serão capazes de estender conexões seguras quânticas, cujos códigos quânticos também poderão ser alongados pelo tambor. Estes sinais seguros poderiam ser enviados a várias distâncias – seja em torno de uma rede quântica ou através do Atlântico – na Internet quântica do futuro.
Flexível, prático e possivelmente inovador como RAM quântica
A pesquisa está sendo conduzida em outros lugares para uma alternativa em que uma fonte de luz que transporta dados é direcionada a um sistema atômico e desloca temporariamente os elétrons no átomo, mas o método tem suas limitações.
“Há limites para o que você pode fazer com um sistema atômico, já que não podemos projetar átomos ou a frequência da luz com que eles podem interagir conosco. Nosso sistema mecânico relativamente “grande” oferece mais flexibilidade. Podemos mexer e ajustar, de modo que, se novas descobertas mudarem as regras do jogo, haja uma boa chance de que o tambor quântico possa ser adaptado”, explica o professor Albert Schliesser, coautor do artigo de pesquisa.
“Para o bem ou para o mal, nossas habilidades como pesquisadores são principalmente o que definem os limites de quão bem tudo funciona”, ressalta.
O tambor é a versão mais recente e mais séria da memória quântica mecânica, pois combina uma série de propriedades: O tambor tem baixa perda de sinal – ou seja, a força do sinal de dados é bem retida. Ele também tem a enorme vantagem de ser capaz de lidar com todas as frequências de luz, incluindo a frequência usada nos cabos de fibra óptica sobre os quais a Internet moderna é construída.
O tambor quântico também é conveniente porque os dados podem ser armazenados e lidos sempre que necessário. E o tempo recorde de memória de 23 milissegundos já alcançado pelos pesquisadores torna muito mais provável que o tecnologia pode um dia se tornar um alicerce para sistemas de redes quânticas, bem como para o hardware de computadores quânticos.
“Saímos cedo com esta pesquisa. A computação e a comunicação quânticas ainda estão num estágio inicial de desenvolvimento, mas com a memória que obtivemos, pode-se especular que o tambor quântico um dia será usado como uma espécie de RAM quântica, uma espécie de memória de trabalho temporária para informações quânticas. . E isso seria inovador”, afirma o professor.