Por Peter Reuell
Publicado na The Harvard Gazette
Pesquisadores de Harvard conseguiram criar interruptores quânticos que podem ser ligados e desligados através de um único fóton, uma conquista tecnológica que poderá abrir o caminho para a criação de redes quânticas altamente seguras.
Construído a partir de átomos individuais, os interruptores, primeiros de sua espécie, poderão um dia ser ligados em rede por meio de cabos de fibra óptica para formar a espinha dorsal de uma “internet quântica” que permite comunicações perfeitamente seguras, disse o professor de Física Mikhail Lukin, que, juntamente com o Professor Vladan Vuletic do MIT, liderou uma equipe formada pelos estudantes de graduação Jeff Thompson e Lee Liu e doutorandos Tobias Tiecke e Nathalie de Leon para construir o novo sistema. Sua pesquisa é detalhada em um artigo recentemente publicada na revista Nature.
“Do ponto de vista técnico, é um feito notável”, disse Lukin a respeito do avanço. “Conceitualmente, a ideia é muito simples: Empurre o interruptor de luz convencional ao seu limite. O que fizemos aqui é usar um único átomo como interruptor que, dependendo de seu estado, pode abrir ou fechar o fluxo de fótons e pode ser ligado e desligado através de um único fóton”.
Embora as chaves poderiam ser usadas para construir um computador quântico, Lukin disse que é improvável que a tecnologia apareça no computador de mesa convencional.
Onde ele será usado? Segundo ele, a resposta está na criação de redes de fibra óptica que usam criptografia quântica, um método para criptografar as comunicações usando as leis da mecânica quântica para permitir troca de informações perfeitamente seguras. Tais sistemas tornam impossível interceptar e ler as mensagens enviadas através de uma rede, porque o próprio ato de medir um objeto quântico o altera, deixando para trás as chances de espionagem.
“É improvável que todos tenham este tipo de tecnologia”, disse ele, “Mas existem algumas aplicações realistas que poderiam algum dia ter um impacto transformador em nossa sociedade. No momento, estamos limitados ao uso de criptografia quântica em distâncias relativamente curtas – dezenas de quilômetros. Com o desenvolvimento da tecnologia, poderemos, eventualmente, ser capazes de ampliar o leque de criptografia quântica para milhares de quilômetros”.
“Importante”, Tiecke disse, “o sistema é altamente flexível, e pode permitir um dia a fabricação de milhares e até milhões de interruptores num único aparelho”.
Essa é uma maneira, Lukin acredita, para sistemas quânticos fazerem a mesma transição que os computadores convencionais fizeram décadas atrás“. O que temos feito é realmente ter ideias que as pessoas estão explorando, e ainda irão explorar, em sistemas macroscópicos, onde a luz é refletida para trás em dois espelhos centimétricos para interagir com um átomo. Nós fizemos isso e a luz foi direcionada para baixo, representando o estado desligado”, disse Thompson. “Por duas décadas, pesquisadores têm trabalhado no acoplamento de dois ou três desses sistemas macroscópicos para criar uma rede simples. Mas é muito fácil para nós para criar três ou quatro, ou 10 mil desses circuitos ópticos. O presente trabalho mostra, pelo menos tecnologicamente, o caminho a seguir”.
“Os computadores convencionais foram inicialmente construídos com tubos de vácuo, e as pessoas eventualmente desenvolveram circuitos integrados utilizados em computadores modernos”, disse ele.
“Mas é muito claro, se quisermos desenvolver esses sistemas, nós temos que pensar sobre o uso de circuitos integrados” ele continuou. “O que Jeff e Tobias têm feito é criar um sistema híbrido. Colocamos átomos em câmaras de vácuo e combinamos com circuitos integrados”.
Embora fabricado de uma forma semelhante a forma como os chips de computador tradicionais são feitos, os circuitos integrados construídos por Thompson e Tiecke não funcionam na eletricidade, mas em luz.
Os chips usam tecnologia nanofotônicas – essencialmente é a capacidade de criar uma ” fiação” que pode canalizar e controlar o percurso da luz – para construir circuitos ópticos que podem então ser ligados a cabos de fibra óptica.
Depois de colocar os circuitos ópticos em uma câmara de vácuo, os investigadores usaram “pinças ópticas” – lasers precisamente focados – para capturar um único átomo e resfriá-lo para uma fração acima do zero absoluto. Eles, então, movem o átomo para dentro de algumas centenas de nanômetros do chip.
Simplesmente colocando as duas peças em conjunto, no entanto, não é suficiente. Para criar interruptores quânticos que um dia podem estar no centro de redes quânticas, os pesquisadores bombardeiam o átomo com micro-ondas e lasers, fazendo-o entrar em um estado de superposição quântica, o que significa que pode ocupar vários estados quânticos, correspondendo a estados ligado e desligado de um interruptor, de uma só vez.
“Para que isso funcione, o átomo interruptor deve ser preparado neste estado de superposição especial”, explicou Lukin. “Este estado de superposição é extremamente frágil – tão frágil que, quando um único fóton bate, ele realmente muda de fase. Essa mudança de fase é o que lhe permite agir como uma válvula, e ser ligado ou desligado”.
Embora seja improvável que os interruptores se tornarão um equipamento padrão para computadores pessoais, Lukin disse, eles podem aparecer em protótipos de redes quânticas em menos de uma década.
“Existem outros sistemas que são mais sofisticados em termos de construção de um computador quântico”, disse Thompson. “Mas a principal vantagem para o que está demonstrado neste trabalho, é demonstrar que um único átomo é muito intimamente ligado à luz, e, especificamente, à luz em fibras ópticas”.
