A nossa pesquisa em tecnologia quântica alcança novos avanços; a rede quântica pode tornar-se uma realidade

De acordo com a Universidade de Ciência e Tecnologia da China, recentemente, Jianshu Wei e seus colegas fizeram um avanço significativo na pesquisa de redes quânticas escaláveis. Wang Ye, Wan Yong, Zhang Qiang, Jianshu Wei e outros, em colaboração com o Instituto de Tecnologia Quântica de Jinan, o Instituto de Sistemas Microeletromecânicos e Tecnologia da Informação da Academia Chinesa de Ciências, a Universidade de Hong Kong, a Universidade Tsinghua, entre outros pesquisadores, construíram o módulo básico para retransmissores quânticos escaláveis, tornando possível a realização de redes quânticas de longa distância. Ao mesmo tempo, Bao Xiaohui, Xu Feihu, Zhang Qiang, Jianshu Wei e outros, em parceria com o Instituto de Tecnologia Quântica de Jinan, a Universidade Nacional de Cingapura, a Universidade de Waterloo no Canadá, entre outros, conseguiram estabelecer entre nós de átomos únicos um entrelaçamento de alta fidelidade a longa distância, e com base nisso, superaram os 100 km de distância na transmissão de chaves quânticas independentes de dispositivos (DI-QKD), impulsionando significativamente o processo de aplicação prática dessa tecnologia. Os dois resultados foram publicados nos periódicos acadêmicos internacionais de autoridade “Nature” e “Science” nos dias 3 e 6 de fevereiro, horário de Pequim.

Esses avanços representam mais um marco na área de comunicação quântica e redes quânticas na China, após o satélite quântico “Micius”, marcando a transição de uma concepção teórica para uma possibilidade real de redes de fibra óptica baseadas em entrelaçamento quântico, ampliando ainda mais a vantagem internacional do país nesse campo.

O objetivo final da ciência da informação quântica é construir redes quânticas eficientes e seguras: utilizando medições precisas para perceber informações com alta precisão, comunicação quântica para transmissão segura e eficiente de informações, e computação quântica para acelerar exponencialmente o processamento de informações, promovendo uma revolução na compreensão do mundo material. Os elementos básicos para construir uma rede quântica são a distribuição de entrelaçamento quântico determinístico a longa distância; com base no entrelaçamento, não só é possível garantir a transmissão segura de informações clássicas por meio da distribuição de chaves quânticas, mas também fornecer uma via única e eficaz para a interação de informações quânticas entre computadores quânticos e usuários via teletransporte quântico.

图1. Esquema de rede quântica

A perda inerente na fibra óptica faz com que a eficiência de transmissão do entrelaçamento quântico diminua exponencialmente com a distância, sendo esse o maior desafio na construção de redes quânticas escaláveis. Por exemplo, após transmissão direta por 1000 km de fibra padrão, o sinal óptico se atenuará para uma intensidade de 10^-20 (um bilhão de bilhão de vezes menor), o que significa que, mesmo emitindo 10^9 pares de fótons entrelaçados por segundo, levaria cerca de 300 anos para receber um par entrelaçado.

A solução de retransmissor quântico é uma estratégia eficaz para resolver as perdas na fibra óptica: por exemplo, em uma linha de fibra de 1000 km, pode-se colocar um retransmissor a cada 100 km, gerar entrelaçamento entre os nós adjacentes, e trocar entrelaçamento para conectar segmentos, permitindo a distribuição de entrelaçamento eficaz entre locais distantes. Com essa estratégia, usando a mesma taxa de emissão de fótons, é possível receber 10^8 pares de fótons entrelaçados por segundo, aumentando a eficiência de transmissão em 10^18 vezes. Assim, o retransmissor quântico sempre foi o foco principal de pesquisa em redes quânticas de fibra óptica.

图2. Esquema do princípio do retransmissor quântico. (1) Entre os nós adjacentes (por exemplo, A e B, B e C, etc.), o entrelaçamento é estabelecido por interferência de fótons. (2) A troca de entrelaçamento no nó B permite estabelecer entrelaçamento entre A e C, e assim por diante. (3) Através de múltiplas trocas de entrelaçamento, a distância do entrelaçamento é expandida em etapas, até que, finalmente, seja estabelecido entre os nós A e K mais distantes.

Desde 1998, Jianshu Wei e seus colegas demonstraram a conexão de entrelaçamento quântico internacionalmente. Desde então, várias equipes de pesquisa nacionais e internacionais fizeram avanços importantes. No entanto, um grande desafio técnico que permanece há quase 30 anos é: a vida útil do entrelaçamento é muito menor que o tempo necessário para gerá-lo, de modo que, dentro do período de vida do entrelaçamento, é difícil gerar com certeza entrelaçamento em nós adjacentes, impossibilitando a conexão eficaz do entrelaçamento e limitando severamente a escalabilidade do retransmissor quântico.

Para resolver esse problema central, a equipe de pesquisa da Universidade de Ciência e Tecnologia da China desenvolveu um armazenamento quântico de íons aprisionados com vida útil longa, uma interface de comunicação íon-fóton de alta eficiência e um protocolo de entrelaçamento de fótons únicos de alta fidelidade, alcançando um entrelaçamento quântico de longa duração, cuja vida útil (550 ms) excede significativamente o tempo necessário para estabelecer o entrelaçamento (450 ms), possibilitando assim a construção do módulo básico de retransmissor quântico escalável, tornando a rede quântica de longa distância uma realidade.

图3. Esquema do princípio do módulo básico do retransmissor quântico escalável. (1) O experimento consiste em um armazenamento quântico de íons aprisionados de longa duração, um módulo de conversão de frequência quântica de alta eficiência e um interferômetro de fótons únicos de alto contraste. (2) A taxa de estabelecimento do entrelaçamento é de 2,226 Hz, ou seja, um tempo de espera de aproximadamente 450 ms. (3) A vida útil do entrelaçamento é de cerca de 550 ms.

A distribuição de entrelaçamento a longa distância tem uma aplicação direta na realização de comunicação quântica confidencial com o mais alto nível de segurança na condição real. Os métodos tradicionais de comunicação quântica confidencial requerem calibração precisa dos dispositivos para garantir segurança prática, o que muitas vezes traz inconvenientes. No entanto, o protocolo de distribuição de chaves quânticas sem dependência de dispositivos (DI-QKD), baseado em entrelaçamento, supera essa limitação: mesmo que os dispositivos quânticos sejam completamente não confiáveis, desde que as partes possam estabelecer entrelaçamento de alta qualidade suficiente e verificar a violação da desigualdade de Bell sem vulnerabilidades, a segurança da distribuição de chaves é garantida de forma rigorosa, sem necessidade de calibração precisa dos dispositivos. Por isso, o DI-QKD foi considerado por Gilles Brassard, um dos fundadores da criptografia quântica e vencedor do Prêmio Wolf de 2018, como o “Santo Graal” perseguido pelos criptógrafos há milênios.

No entanto, a implementação experimental do DI-QKD enfrenta requisitos técnicos extremamente rigorosos. O entrelaçamento quântico entre nós remotos precisa atender às seguintes condições: (1) alta eficiência de detecção para fechar efetivamente as vulnerabilidades de eficiência do detector; (2) alta fidelidade do entrelaçamento para garantir uma violação significativa da desigualdade de Bell. Devido às perdas na fibra óptica de longa distância e ao ruído do sistema, a maioria das demonstrações experimentais anteriores foi limitada a curtas distâncias (normalmente de alguns metros a centenas de metros), longe das necessidades de aplicações reais.

Com a tecnologia de retransmissor quântico escalável, a equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia da China conseguiu também estabelecer entre dois átomos de rubídio um entrelaçamento de alta fidelidade a uma distância de até 100 km de fibra óptica: a fidelidade do entrelaçamento entre os nós remotos permaneceu acima de 90%, superando significativamente os resultados anteriores internacionais. Com base nisso, a equipe realizou uma distribuição de chaves quânticas independente de dispositivos em uma rede de fibra de escala urbana: na ligação de 11 km, completou uma análise de segurança com dados limitados e uma prova rigorosa, elevando a distância de transmissão cerca de 3000 vezes em relação ao melhor resultado anterior; na ligação de 100 km, demonstrou a viabilidade de geração de chaves, com aumento de mais de duas ordens de magnitude em relação ao melhor experimento internacional anterior.

图4. Esquema experimental do DI-QKD de 100 km. Os átomos de cada extremidade emitem fótons via processo de geração de fótons de Rydberg, que são transmitidos por fibra óptica de longa distância até o nó intermediário, onde interferem. Após a detecção do evento previsto, os átomos nas extremidades são projetados em estados entrelaçados de longa distância, realizando a distribuição do entrelaçamento. Em seguida, os átomos nas extremidades são medidos aleatoriamente em bases diferentes, e os resultados são utilizados para verificar a violação da desigualdade de Bell, garantindo a segurança, e após a verificação, os dados são processados para gerar uma chave segura.

Esses dois avanços foram apoiados pelo Projeto Nacional de Ciência e Tecnologia, pela Fundação Nacional de Ciências Naturais, pela Academia Chinesa de Ciências, e por órgãos de financiamento de Anhui, Hefei, Shandong, Jinan, Hong Kong, entre outros.

(Origem: Caixin)