Por Davide Castelvecchi
Publicado na Nature
Poucos meses após a sua missão, o primeiro satélite de comunicação quântica do mundo, alcançou um dos seus objetivos mais ambiciosos. Os pesquisadores relatam na Science que, ao transmitir fótons entre o satélite e duas estações na Terra distantes, mostraram que os fótons podem permanecer em um estado quântico vinculado a uma distância recorde de mais de 1.200 quilômetros.
Esse fenômeno, conhecido como emaranhamento quântico, poderia ser usado como base de uma futura rede segura de comunicações quânticas. A façanha é o primeiro resultado relatado da missão chinesa Quantum Experiments at Space Scale (QUESS). Lançado em agosto passado foi projetado para demonstrar princípios subjacentes à comunicação quântica. O estudo que mostra o crescente domínio da China em relação ao mundo quântico e à ciência espacial, é um trampolim para redes de comunicação ultra seguras e, eventualmente, uma internet quântica.
“É uma grande e importante conquista”, diz Thomas Jennewein, físico da Universidade de Waterloo no Canadá. “Eles começaram com essa ideia ousada e conseguiram fazê-lo”.
O emaranhamento envolve a colocação de objetos no limbo peculiar da superposição quântica, em que as propriedades quânticas de um objeto ocupam múltiplos estados ao mesmo tempo: como o gato de Schrödinger, morto e vivo ao mesmo tempo. Então, esses estados quânticos são compartilhados entre vários objetos. Os físicos envolvem partículas como elétrons e fótons, bem como objetos maiores, como circuitos elétricos supercondutores.
Teoricamente, mesmo que os objetos emaranhados sejam separados, seus estados quânticos precários devem permanecer vinculados até que um deles seja medido ou perturbado. Essa medida determina instantaneamente o estado do outro objeto, não importa o quão longe. A ideia é tão contraintuitiva que Albert Einstein zombou de “ação fantasmagórica à distância”.
A partir da década de 1970, no entanto, os físicos começaram a testar o efeito em distâncias crescentes. Em 2015, o mais sofisticado desses testes, que envolveu a medição de elétrons emaranhados a 1,3 quilômetros de distância, mostrou mais uma vez que a ação fantasmagórica era real.
Para além do resultado fundamental, tais experiências também apontam para a possibilidade de comunicações à prova de intrusão. longos “strings” de fótons emaranhados, compartilhados entre locais distantes, podem ser “chaves quânticas” que protegem as comunicações. Qualquer pessoa que tente escapar de uma mensagem criptografada de forma quântica, interromperia a chave compartilhada, alertando todos para um canal comprometido.
Porém, os fótons emaranhados se degradam rapidamente à medida que passam pelo ar ou fibras ópticas. Até agora, o mais distante que alguém enviou uma chave quântica é de algumas centenas de quilômetros. Os “repetidores quânticos” que retransmitem as informações quânticas e poderiam ampliar o alcance de uma rede, ainda não estão desenvolvidos o suficiente. Muitos físicos sonharam em vez de usar satélites para enviar informações quânticas através do vácuo do espaço. “Depois de ter satélites distribuindo seus sinais quânticos em todo o mundo, você fez isso”, diz Verónica Fernández Mármol, física do Conselho Nacional de Pesquisa da Espanha em Madri. “Você pulou todos os problemas que você tinha com as perdas nas fibras”.
Jian-Wei Pan, um físico da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Xangai, teve a chance de testar a ideia quando o satélite Micius foi lançado em agosto de 2016. O satélite é a base do programa 100 milhões de dólares do Quantum Experiments at Space Scale, uma das várias missões que pretendem colocar a china como potência em ciências espaciais em par de igualdade com EUA e Europa.
Em seu primeiro experimento, a equipe enviou um raio laser para um cristal que alterava a luz no satélite.O cristal emitiu pares de fótons enredados de modo que seus estados de polarização fossem opostos quando um fosse medido.Os pares foram divididos, com fótons enviados para estações de recepção separadas em Delingha e Lijiang, a 1200 quilômetros de distância. Ambas as estações estão nas montanhas do Tibete, reduzindo a quantidade de ar que os fótons frágeis tiveram que atravessar.
Esta semana na Science, a equipe relata simultaneamente mais de 1000 pares de fótons. Eles descobriram que os fótons tinham polarizações opostas muito mais frequentemente do que seria esperado por acaso, confirmando assim uma ação fantasmagórica em uma distância recorde (embora o teste de 2015 em uma distância mais curta fosse mais rigoroso).
A equipe teve que superar muitos obstáculos, incluindo manter os feixes de fótons focados nas estações terrestres, enquanto o satélite percorria o espaço em quase 8 quilômetros por segundo. “Mostrar e demonstrar que é uma tarefa bastante desafiadora”, diz Alexander Ling, físico da Universidade Nacional de Singapura. “É muito encorajador”. No entanto, Ling observa que a equipe da Pan recuperou apenas cerca de um fóton de cada 6 milhões enviados pelo satélite – muito melhor do que experimentos terrestres, mas ainda muito poucos para a comunicação quântica na prática.
Pan espera que o Centro Nacional de Ciências Espaciais da China lance satélites adicionais com feixes mais fortes e mais limpos que possam ser detectados mesmo quando o sol está brilhando, já que o Micius opera apenas à noite. “Nos próximos 5 anos, planejamos lançar alguns satélites quânticos realmente práticos”, diz ele. Enquanto isso, ele planeja usar o Micius para distribuir chaves quânticas para as estações terrestres chinesas, o que exigirá strings mais longos de fótons e etapas adicionais. Então, ele quer demonstrar a distribuição intercontinental da chave quântica entre as estações na China e na Áustria, o que exigirá que a metade de um par de fótons emaranhados a bordo até a estação terrestre austríaca apareça em vista do satélite.
Outros países estão avançando para experiências espaciais quânticas. Ling está juntando-se com físicos na Austrália para enviar informações quânticas entre dois satélites e a Agência Espacial Canadense recentemente anunciou financiamento para um pequeno satélite quântico. Equipes europeias e americanas também propõem colocar instrumentos quânticos na Estação Espacial Internacional. Um objetivo é testar se o emaranhamento é afetado por um campo gravitacional variante, comparando um fóton que permanece no ambiente gravitacional mais fraco da órbita com um parceiro emaranhado enviado à Terra, diz Anton Zeilinger, físico da Academia Austríaca de Ciências em Viena. “Não há muitos experimentos que testam ligações entre gravidade e física quântica”.
As implicações vão além das demonstrações de criação de registros: uma rede de satélites poderia algum dia conectar os computadores quânticos projetados em laboratórios em todo o mundo. O documento de Pan “mostra que a China está tomando as decisões certas”, diz Zeilinger, que empurrou a Agência Espacial Europeia para lançar seu próprio satélite quântico. “Estou pessoalmente convencido de que a internet do futuro será baseada nestes princípios quânticos”.
Referências
- Dennis Normile. Red star rising. Science, 22 Jul 2016. Vol. 353, Issue 6297, pp. 342-345.
- Yin, J et all. Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers. Science, 16 Jun 2017. Vol. 356, Issue 6343, pp. 1140-1144.
