Cientistas demonstraram pela primeira vez o teletransporte quântico através da Internet

Pela primeira vez, engenheiros da Northwestern University testaram com êxito o teletransporte quântico através de cabos de fibra ótica que transportam tráfego de Internet. Mostraram que é possível combinar redes quânticas e clássicas numa infraestrutura de fibra ótica partilhada. A descoberta, publicada na revista Optica, introduz a nova possibilidade de combinar a comunicação quântica com os cabos de Internet existentes, simplificando grandemente a infraestrutura necessária para tecnologias avançadas de deteção ou aplicações de computação quântica.

“Isto é incrivelmente excitante porque ninguém pensou que fosse possível”, disse o líder do estudo Prem Kumar. “O nosso trabalho mostra um caminho para a próxima geração de redes quânticas e clássicas que partilham uma infraestrutura de fibra ótica unificada. Basicamente, abre a porta para levar as comunicações quânticas para o próximo nível”. Especialista em comunicações quânticas, Kumar é professor de engenharia elétrica e informática na McCormick School of Engineering da Northwestern, onde dirige o Center for Photonic Computing and Communication.

Como funciona o teletransporte quântico

O teletransporte quântico, limitado apenas pela velocidade da luz, permite uma nova forma, ultra-rápida e segura, de partilhar informação entre utilizadores de redes distantes, onde a transmissão direta não é necessária.

O processo funciona tirando partido do emaranhamento quântico, uma técnica em que duas partículas estão ligadas entre si, independentemente da distância que as separa. Em vez de as partículas viajarem fisicamente para entregar informação, as partículas emaranhadas trocam informação a grandes distâncias, sem a transportarem fisicamente.

“Nas comunicações ópticas, todos os sinais são convertidos em luz”, explicou Kumar. “Enquanto os sinais convencionais para as comunicações clássicas são tipicamente compostos por milhões de partículas de luz, a informação quântica utiliza um único fotão.”

“Ao efetuar uma medição destrutiva em dois fotões (um com um estado quântico e outro emaranhado com outro fotão), o estado quântico é transferido para o fotão restante, que pode estar muito longe”, disse Jordan Thomas, candidato a doutoramento no laboratório de Kumar e primeiro autor do artigo. “O fotão em si não tem de ser enviado para grandes distâncias, mas o seu estado acaba por ser codificado no fotão distante.

A chave

O mais importante para tornar possível este teletransporte é encontrar o caminho certo para evitar o trânsito. Antes do novo estudo de Kumar, muitos investigadores não tinham a certeza de que o teletransporte quântico fosse possível em cabos que transportam comunicações clássicas. Acontece que os fotões emaranhados perder-se-iam entre os milhões de outras partículas de luz. Seria como uma bicicleta frágil a tentar atravessar um túnel cheio de camiões pesados a passar a toda a velocidade.

No entanto, Kumar e a sua equipa acabam de encontrar uma forma de ajudar os delicados fotões a evitar esse tráfego intenso. Depois de estudarem em profundidade a forma como a luz se dispersa no interior dos cabos de fibra ótica, os investigadores encontraram um comprimento de onda de luz menos concorrido para colocar os seus fotões. De seguida, adicionaram filtros especiais para reduzir o ruído do tráfego normal da Internet.

“Estudámos cuidadosamente a forma como a luz se dispersa e colocámos os nossos fotões num ponto ideal onde esse mecanismo de dispersão é minimizado”, disse Kumar. “Descobrimos que podíamos efetuar comunicações quânticas sem a interferência dos canais clássicos que estão presentes em simultâneo”.

As etapas do teste de teletransporte da Internet

Para testar o novo método, Kumar e a sua equipa instalaram um cabo de fibra ótica de 30 quilómetros de comprimento com um fotão em cada extremidade. Em seguida, enviaram simultaneamente informação quântica e tráfego de Internet de alta velocidade através dele. Por fim, mediram a qualidade da informação quântica na extremidade recetora durante a execução do protocolo de teletransporte, efetuando medições quânticas no ponto médio.

Os investigadores verificaram que a informação quântica foi transmitida com êxito, mesmo com um tráfego intenso na Internet! Embora muitos outros grupos de cientistas tenham investigado a coexistência de comunicações quânticas e clássicas em fibra ótica, este trabalho é o primeiro a conseguir demonstrar o teletransporte quântico neste novo cenário. Esta capacidade de enviar informação sem transmissão direta abre a porta a aplicações quânticas ainda mais avançadas sem fibra dedicada.

Em direção ao futuro

Estes cientistas estão entusiasmados com as novas provas e planeiam agora alargar as experiências a distâncias maiores. Também planeiam utilizar dois pares de fotões emaranhados (em vez de apenas um par) para demonstrar a partilha do emaranhamento, outro marco importante que conduz a aplicações quânticas distribuídas. Estão também a explorar a possibilidade de realizar experiências em cabos ópticos subterrâneos reais, em vez de em bobinas no laboratório.

“O teletransporte quântico tem a capacidade de fornecer conetividade quântica de forma segura entre nós geograficamente distantes”, disse Kumar. "Mas muitas pessoas assumiram há muito tempo que ninguém iria construir uma infraestrutura especializada para enviar partículas de luz. Se escolhermos corretamente os comprimentos de onda, não teremos de construir uma nova infraestrutura. As comunicações clássicas e as comunicações quânticas podem coexistir”.

Referências da notícia

Jordan M. Thomas, Prem Kumar, et al. Quantum teleportation coexisting with classical communications in optical fiber. Optica publishing group. (2024).

Amanda Morris. First demonstration of quantum teleportation over busy Internet cables. Space Daily. (23 de diciembre de 2024).