Em um experimento inédito, engenheiros da Universidade da Pensilvânia levaram as redes quânticas do laboratório para cabos de fibra óptica comerciais usando o mesmo Protocolo de Internet (IP) que alimenta a web atual.
Publicado na Science , o trabalho mostra que sinais quânticos frágeis podem ser executados na mesma infraestrutura que transporta o tráfego online diário. A equipe testou sua abordagem na rede de fibra óptica do campus da Verizon.
O minúsculo “Q-chip” da equipe da Universidade da Pensilvânia coordena dados quânticos e clássicos e, crucialmente, fala a mesma língua da web moderna. Essa abordagem pode abrir caminho para uma futura “internet quântica”, que os cientistas acreditam que um dia poderá ser tão transformadora quanto o início da era online.
Sinais quânticos dependem de pares de partículas “emaranhadas”, tão intimamente ligadas que a mudança de uma afeta instantaneamente a outra. Aproveitar essa propriedade poderia permitir que computadores quânticos se conectassem e reunissem seu poder de processamento , possibilitando avanços como IA mais rápida e energeticamente eficiente ou o desenvolvimento de novos medicamentos e materiais além do alcance dos supercomputadores atuais.
O trabalho de Penn mostra, pela primeira vez em fibra comercial ativa, que um chip pode não apenas enviar sinais quânticos, mas também corrigir automaticamente o ruído, agrupar dados quânticos e clássicos em pacotes padrão no estilo da Internet e roteá-los usando o mesmo sistema de endereçamento e ferramentas de gerenciamento que conectam dispositivos comuns on-line.
“Ao mostrar que um chip integrado pode gerenciar sinais quânticos em uma rede comercial ativa como a da Verizon, e fazer isso usando os mesmos protocolos que executam a internet clássica, demos um passo importante em direção a experimentos em larga escala e uma internet quântica prática”, diz Liang Feng, professor de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) e Engenharia Elétrica e de Sistemas (ESE), e autor sênior do artigo da Science .
Os desafios de escalar a internet quântica
Erwin Schrödinger, que cunhou o termo “emaranhamento quântico”, relacionou o conceito a um gato escondido em uma caixa. Se a tampa estiver fechada e a caixa também contiver material radioativo, o gato pode estar vivo ou morto. Uma maneira de interpretar a situação é que o gato está vivo e morto ao mesmo tempo. Somente a abertura da caixa confirma o estado do gato.
Esse paradoxo é aproximadamente análogo à natureza única das partículas quânticas. Uma vez medidas, elas perdem suas propriedades incomuns, o que torna o dimensionamento de uma rede quântica extremamente difícil.
“Redes normais medem dados para guiá-los até o destino final”, diz Robert Broberg, doutorando em ESE e coautor do artigo. “Com redes puramente quânticas, isso não é possível, porque medir as partículas destrói o estado quântico.”
Coordenação de sinais clássicos e quânticos
Para contornar esse obstáculo, a equipe desenvolveu o “Q-Chip” (abreviação de “Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics”) para coordenar sinais “clássicos”, feitos de fluxos regulares de luz, e partículas quânticas.
“O sinal clássico viaja logo à frente do sinal quântico”, diz Yichi Zhang, doutorando em MSE e primeiro autor do artigo. “Isso nos permite medir o sinal clássico para roteamento, deixando o sinal quântico intacto.”
Em essência, o novo sistema funciona como uma ferrovia, conectando locomotivas leves comuns com carga quântica. “O ‘cabeçalho’ clássico atua como a locomotiva do trem, enquanto a informação quântica viaja atrás em contêineres selados”, diz Zhang.
“Você não pode abrir os contêineres sem destruir o que está dentro, mas a locomotiva garante que o trem inteiro chegue onde precisa ir.”
Como o cabeçalho clássico pode ser medido, todo o sistema pode seguir o mesmo “IP” ou “Protocolo de Internet” que governa o tráfego de internet atual.
“Ao incorporar informações quânticas na estrutura familiar de IP, mostramos que uma internet quântica poderia literalmente falar a mesma língua que a clássica”, diz Zhang. “Essa compatibilidade é fundamental para escalar usando a infraestrutura existente.”
Adaptando a tecnologia quântica ao mundo real
Um dos maiores desafios para a transmissão de partículas quânticas em infraestruturas comerciais é a variabilidade das linhas de transmissão do mundo real. Ao contrário dos ambientes de laboratório, que podem manter condições ideais, as redes comerciais frequentemente enfrentam mudanças de temperatura, devido às condições climáticas, bem como vibrações de atividades humanas como construção e transporte, sem mencionar a atividade sísmica.
Para neutralizar isso, os pesquisadores desenvolveram um método de correção de erros que aproveita o fato de que a interferência no cabeçalho clássico afetará o sinal quântico de maneira semelhante.
“Como podemos medir o sinal clássico sem danificar o quântico”, diz Feng, “podemos inferir quais correções precisam ser feitas no sinal quântico sem nunca medi-lo, preservando o estado quântico”.
Nos testes, o sistema manteve fidelidades de transmissão acima de 97%, demonstrando que poderia superar o ruído e a instabilidade que geralmente destroem sinais quânticos fora do laboratório. E como o chip é feito de silício e fabricado com técnicas consagradas, ele pôde ser produzido em massa, facilitando a escalabilidade da nova abordagem.
“Nossa rede tem apenas um servidor e um nó, conectando dois prédios, com cerca de um quilômetro de cabo de fibra óptica instalado pela Verizon entre eles”, diz Feng. “Mas tudo o que precisamos fazer para expandir a rede é fabricar mais chips e conectá-los aos cabos de fibra óptica existentes na Filadélfia.”
O futuro da internet quântica
A principal barreira para escalar redes quânticas além de uma área metropolitana é que os sinais quânticos ainda não podem ser amplificados sem destruir seu emaranhamento.
Embora algumas equipes tenham demonstrado que “chaves quânticas”, códigos especiais para comunicação ultrassegura, podem viajar longas distâncias por fibras comuns, esses sistemas usam luz coerente fraca para gerar números aleatórios que não podem ser copiados, uma técnica altamente eficaz para aplicações de segurança, mas não suficiente para conectar processadores quânticos reais.
Superar esse desafio exigirá novos dispositivos, mas o estudo da Penn fornece um importante passo inicial: mostrar como um chip pode executar sinais quânticos em fibras comerciais existentes usando roteamento de pacotes no estilo da Internet, comutação dinâmica e mitigação de erros no chip que funcionam com os mesmos protocolos que gerenciam as redes atuais.
“Isso lembra os primórdios da internet clássica, na década de 1990, quando as universidades conectaram suas redes pela primeira vez”, diz Broberg. “Isso abriu caminho para transformações que ninguém poderia ter previsto. Uma internet quântica tem o mesmo potencial.”
Fornecido pela Universidade da Pensilvânia
