Teste de protótipo de internet quântica é executado em Nova York por meio mês

Para introduzir redes quânticas no mercado, os engenheiros devem superar a fragilidade dos estados emaranhados em um cabo de fibra e garantir a eficiência da entrega do sinal. Agora, cientistas da Qunnect Inc. no Brooklyn, Nova York, deram um grande passo à frente ao operar uma rede dessas sob as ruas da cidade de Nova York.

Embora outros tenham transmitido fótons emaranhados antes, houve muito ruído e desvio de polarização no ambiente da fibra para que o emaranhamento sobrevivesse, principalmente em uma rede estável de longo prazo.

“É aqui que nosso trabalho entra em jogo”, disse Mehdi Namazi, cofundador e diretor científico da Qunnect. O design de rede, métodos e resultados da equipe são publicados em PRX Quantum.

Para sua rede protótipo, os pesquisadores do Qunnect usaram um circuito de fibra alugado de 34 quilômetros de comprimento que eles chamaram de loop GothamQ. Usando fótons emaranhados por polarização, eles operaram o loop por 15 dias contínuos, alcançando um tempo de atividade de 99,84% e uma fidelidade de compensação de 99% para pares de fótons emaranhados transmitidos a uma taxa de cerca de 20.000 por segundo. Com meio milhão de pares de fótons emaranhados por segundo, a fidelidade ainda era de quase 90%.

A polarização de um fóton é a direção do seu campo elétrico. (Isso pode ser mais fácil de entender na imagem ondulatória da luz.) Você talvez esteja familiarizado com o fenômeno dos óculos de sol polarizados, que são filtros que deixam a luz de uma direção de polarização passar, mas bloqueiam outras, reduzindo assim o brilho refletido na água, neve e vidro, por exemplo.

Os fótons polarizados são úteis porque são fáceis de criar, simples de manipular (com filtros polarizados) e de medir.

Fótons emaranhados por polarização têm sido usados ​​nos últimos anos para construir repetidores quânticos de larga escala, computação quântica distribuída e redes de detecção quântica distribuída.

O emaranhamento quântico, tema do Prêmio Nobel de Física de 2022, é o fenômeno quântico peculiar no qual partículas dentro de um estado quântico têm uma conexão, às vezes de longa distância, de tal forma que medir a propriedade de uma determina automaticamente as propriedades de outras com as quais ela está emaranhada.

Em seu design, um fóton infravermelho de comprimento de onda de 1.324 nanômetros é emaranhado com um fóton infravermelho próximo de 795 nm. O último fóton é compatível em comprimento de onda e largura de banda com os sistemas atômicos de rubídio, como os usados ​​em memórias quânticas e processadores quânticos. Foi descoberto que a deriva de polarização era dependente do comprimento de onda e do tempo, exigindo que a Qunnect projetasse e construísse equipamentos para compensação ativa nos mesmos comprimentos de onda.

Para gerar esses pares de fótons de duas cores emaranhados, feixes de entrada acoplados de certos comprimentos de onda foram enviados através de uma célula de vapor enriquecida com rubídio-78, onde excitaram os átomos de rubídio dentro da célula, fazendo com que um elétron externo transitasse duas vezes, de um orbital 5p para um orbital 6s.

Deste estado duplamente excitado, um fóton de 1.324 nm era às vezes emitido, e um decaimento de elétrons subsequente produzia outro fóton, de 795 nm.

Eles enviaram pares de fótons emaranhados de polarização de 1.324 nm em superposições quânticas através da fibra, um estado com ambas as polarizações horizontais e o outro com ambas verticais — uma configuração de dois qubits mais geralmente conhecida como estado de Bell. Em tal superposição, os pares de fótons mecânicos quânticos estão em ambos os estados ao mesmo tempo.

No entanto, em cabos ópticos, tais sistemas de fótons são mais propensos a perturbações de sua polarização por vibrações, flexões e flutuações de pressão e temperatura no cabo e podem exigir recalibrações frequentes. Como esses tipos de perturbações podem ser quase impossíveis de detectar e isolar, muito menos mitigar, a equipe Qunnect construiu dispositivos de compensação de polarização automatizada (APC) para compensá-los eletronicamente.

Ao enviar pares de fótons clássicos, não emaranhados, de 1.324 nm com polarizações conhecidas pela fibra, eles puderam medir o quanto sua polarização se desviou ou foi modificada. A deriva da polarização foi medida em quatro distâncias de transmissão: zero, 34, 69 e 102 km, enviando os fótons clássicos zero, uma, duas ou três vezes ao redor do loop metropolitano sob as ruas do Brooklyn e Queens. Eles então usaram os APCs para corrigir a polarização dos pares emaranhados.

A demonstração do loop GothamQ da Qunnect foi especialmente notável por sua duração, a natureza sem intervenção do tempo de operação e sua porcentagem de tempo de atividade. Ela mostrou, eles escreveram, “progresso em direção a uma rede de entrelaçamento prática totalmente automatizada” que seria necessária para uma internet quântica. Namazi disse que “desde que terminamos este trabalho, já fizemos todas as peças montadas em rack, para que possam ser usadas em qualquer lugar” — equipamento combinado que eles chamam de Qu-Val.

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