Teletransporte Quântico => via Satélite(s)

“No campo das comunicações quânticas via satélite, estamos no mesmo                                  nível que o Sputnik – primeiro satélite artificial – enviando alguns bips                              ao espaço”………………..(Paolo Villoresi – Universidade de Pádua/Itália)

O grande destaque do experimento foi a observação do fenômeno quando os dois átomos foram colocados a uma distância de 1 metro um do outro. [Moehring et al.]

Físicos da Universidade de Michigan, nos EUA… provocaram o “entrelaçamento” entre 2 átomos de itérbio, que passaram a funcionar como qubits… A informação (0 ou 1) foi armazenada como elétrons. Os pesquisadores então … excitaram os 2 átomos…induzindo os elétrons…a passar para o ‘estado mais baixo de energia’ … e assim… – emitir um “fóton luminoso“.  Os átomos de itérbio, elemento do grupo das ‘terras-raras‘ são capazes de emitir 2 tipos de fótons… a comprimento de onda diferentes. O fóton então liberado, indica  o ‘estado particular’ de cada átomo…pois cada um está “entrelaçado“ a seu átomo. Manipulando os…fótons emitidos – para cada um dos átomos…e guiando-os para interagir no interior de uma fibra óptica, os pesquisadores conseguiram entrelaçá-los… Depois que a fibra óptica é retirada, os 2 átomos vão continuar sincronizados.

Teletransporte quântico entre átomos                                                                            ‘No experimento, 2 átomos foram afastaram a 1 metro de distância, comprovando          assim o efeito. – O mecanismo continua funcionando (em tese) mesmo se um dos        átomos pudesse ser levado para Júpiter… e o outro… para o outro lado da galáxia’.

Segundo David Moehring, componente da equipe, o entrelaçamento localizado já foi feito antes, em ‘armadilhas de íons’…mas, se desejarmos construir uma rede de computadores quânticos escalável (‘Internet quântica’)…é necessário criar esquemas entre memórias de qubits entrelaçadas remotamente. O segredo do “teletransporte quântico” é esse entrelaçamento (ou emaranhamento)…que ocorre somente em escala atômica…ou, sub-atômica. Quando 2 objetos são postos nesse “estado entrelaçado”, suas propriedades ficam inextricavelmente ligadas, de forma que – o simples ato de medir qualquer um dos objetos imediatamente determina as características do outro. No teletransporte quântico, a informação (como spin da partícula, ou polarização do fóton) é transferida de um local    a outro sem que ocorra o deslocamento por meio físico… Não há transferência de energia ou matéria. O teletransporte descrito foi diretamente efetuado do estado quântico de um átomo… a outro distante – com 90% de eficiência na recuperação da informação original.

Cientistas conseguem pela primeira vez teletransportar informação entre dois átomos isolados em compartimentos a 1 metro de distância.[Imagem: Olmschenck et al.]

Graças às leis peculiares da mecânica quântica, sua incerteza intrínseca projeta os íons em um ‘estado de entrelaçamento’… Ou seja, cada um deles fica em uma superposição dos 2 ‘estados possíveis’. Como deteção simultânea de fótons não ocorre com frequência…o estímulo a laser,      e o processo de emissão do fóton…precisam se repetir…milhares de vezes por segundo… Mas, quando um fóton aparece em cada detetor… é o “sinal único”…do entrelaçamento entre íons.  Assim que o entrelaçamento foi identificado o íon A foi medido…O ato de medir fez com que saísse da superposição – assumindo condição definitiva … um dos 2 estados do bit quântico.  Mas como o estado do íon A estava ligado ao      do íon B, irreversivelmente… a medição de A também fez com que B assumisse o…”estado complementar“…Em função de qual estado detetado do íon A, pode-se saber, exatamente, qual tipo de “pulso de microondas” aplicar ao      B…para que este recupere a informação exata, que foi armazenada, originalmente, no 1º íon. Esse…é o “teletransporte da informação“.

O que distingue esse resultado como teletransporte é que nenhuma informação contida na memória original realmente passou entre os íons. Em vez disso, a informação desapareceu ao ser medido o íon A, e reapareceu ao aplicar o pulso de microondas no íon B, mostrando assim, a base potencial para a formação de um ‘repetidor quântico‘ em larga escala, capaz de funcionar como uma “rede qubit de memórias quânticas a largas distâncias“.  ‘Átomos assombrados abrem caminho à computação quântica’ (set/2007) Teletransporte-quantico (Agência Fapesp) # teletransporte quântico entre átomos, pela 1ª vez (jan/2009)  ************************************************************************************

Comunicação espacial quântica é demonstrada experimentalmente                     Cientistas conseguiram demonstrar – pela 1ª vez, a viabilidade técnica de se                       estabelecer um…”canal de comunicação quântica”…entre a Terra e o espaço.

Mini-satélite de pesquisas Ajisai.[JAXA]

A equipe do professor Paolo Villoresi conseguiu identificar fótons individuais retornando depois de terem sido disparados em direção ao espaço, refletidos pelo satélite artificial japonês ‘Ajisai‘, que orbita a Terra…a uns 1.500 kms de altitude.  O experimento comprova, a possibilidade de se construir um canal de comunicação totalmente seguro…entre a Terra e o espaço…utilizando os últimos avanços da mecânica quântica… – E os  cientistas ainda deram o ‘toque final‘ no artigo:

“Foram resultados experimentais expressivos, em termos de laser … rumo à construção de um canal de comunicação quântica”. (texto base mar/2008) ***********************************************

“Internet interplanetária”

O mundo ficou pequeno demais para a ‘Internet’…que acaba de ir para o espaço. A “NASA” testou, com sucesso…a “1ª rede de comunicação espacial”…com base na tecnologia da rede mundial ‘WWW’ de computadores. Usando um sistema de ‘Rede Tolerante a Interrupções‘ (em inglês “DTN“), pesquisadores do ‘JPL’ (‘Laboratório de Propulsão a Jato’)…Pasadena, transmitiram várias imagens a partir de uma sonda a cerca de 33 milhões de kms da Terra. Como disse Adrian Hooke – coordenador do projeto: “Falhas podem ocorrer em inúmeras situações — como quando uma espaçonave se move para trás de um planeta … ou durante explosões solares”. – Para isso, o novo protocolo DTN usa tecnologia baseada no “TCP-IP”  (a série de protocolos usada para “transferência de dados digitais”…pela qual a Internet se fundamentou)…mas projetada para ser bem mais robusta… – de modo a resistir a atrasos, interrupções e desconexões; comuns na transferência de dados pelo espaço. – Quanto aos atrasos nos sinais, quem assiste televisão por satélite – sabe que…durante uma partida de futebol, o gol ainda nem foi visto, mas os rojões e o grito do locutor já são ouvidos, devido ao sinal de rádio em relação à TV, não precisar percorrer a distância até o satélite e voltar.

Microfotografia do chip com quatro qubits – as informações são teletransportadas entre qubits em chips diferentes, sem qualquer contato físico.

Na ‘comunicação espacial‘ o problema é bem mais grave…Mesmo trafegando à velocidade da luz, dados enviados a partir de Marte, por exemplo…conforme a distância entre os dois planetas — levam de 3 e meio…a 20 minutos  para chegar na Terra. No sistema “DTN“, ao contrário do protocolo ‘terrestre’ da Internet, não sendo localizado o…”caminho direto” ao destino – os “pacotes de dados”…ao invés de descartados – conservam sua…”informação” por cada nó da rede…pelo tempo necessário, até que a comunicação seja estabelecida, em relação a um outro nó. — E Leigh Torgerson, gerente do protocolo DTN/NASA…explicou:

“É como se fosse um jogador de futebol que retém a bola até encontrar um companheiro livre de marcação. Na comunicação espacial…hoje em dia, um grupo de operações deve organizar manualmente cada ‘link‘… – definindo antecipadamente todos os comandos específicos, em relação a quais dados devem ser enviados… quando serão enviados… e, para onde. No protocolo DTN, toda essa transmissão pode ser feita automaticamente”.

No teste realizado, os pesquisadores usaram a sonda Epoxi, em missão para encontrar o cometa Hartley 2 … o que deverá ocorrer dentro de 2 anos. A rede espacial experimental foi montada com 10 nós – em sondas em órbita de Marte… e satélites e centros na Terra.  O próximo teste do “DTN” contará com a participação da “ISS“. ‘texto base’ (dez/2008) **********************************************************************************

Redes quânticas complexas devem ser pensadas quanticamente (jun/2010)          A Internet, como rede de conexões entre você e seus amigos, ou entre todos os seres humanos, é um exemplo de…’redes complexas’ – cujas propriedades têm sido alvo de intensas pesquisas nos últimos anos. – Com base nelas, alguns cientistas já defendem    que, num futuro próximo, a tecnologia vai prever o futuro e as necessidades humanas.

“Os melhores resultados são obtidos quando se pensa ‘quanticamente’ não apenas na escala das conexões, mas também numa perspectiva global da rede.” [Sébastien Perseguers]

Um grupo internacional de cientistas, trabalhando no ‘Instituto Max Planck’    de Óptica Quântica, Alemanha, acaba    de mostrar que as conhecidas…‘redes complexas‘ … podem ser empregadas também no instável… — “mundo dos efeitos quânticos“. – Eles mostraram que essas complexas ‘redes quânticas’ têm propriedades surpreendentes – a saber — mesmo numa ‘rede quântica‘ fracamente conectada, realizar certas medições…e umas simples operações quânticas … permite gerar arbitrários “grafos de conexões“…impossíveis de  se criar… por qualquer outra maneira.

Redes aleatórias

O comportamento das redes tem sido amplamente explorado no contexto da mecânica estatística clássica. “Redes periódicas” têm, por definição, ‘estrutura regular’ – na qual cada nó está conectado a um número constante de “vizinhos geométricos”…Quando se tenta ampliar esses sistemas — sua topologia não é alterada — pois a ‘célula unitária’ é apenas repetida ad aeternum…A construção de uma “rede aleatória” é completamente diferente – cada nó tem pequena probabilidade de estar ligado a qualquer outro nó. E, conforme a probabilidade de conexão – essas redes apresentam alguns ‘efeitos típicos’.    Por exemplo, se tal probabilidade é alta o suficiente… praticamente todos os nós serão parte de um gigantesco… “aglomerado” (cluster) — entretanto… se ela for pequena demais – surgirão… – tão somente – alguns grupos esparsos de… – “nós conectados”.

Entrelaçamento/superposição quântica

Descoberta de pesquisadores brasileiros deverá ajudar a compreender as características do entrelaçamento quântico — a base para futuras tecnologias…como computação quântica e teletransporte. [Coelho et al.]

Numa rede quântica – um link entre nós vizinhos é feito… – por um par de qubits entrelaçados... Noutras palavras, um elo de uma… ‘rede quântica‘ — representa o entrelaçamento entre 2 qubits. Portanto,    um nó possui exatamente um qubit para cada vizinho, e como ele pode agir sobre esses qubits, ele é chamado de “estação”. E isso vale para qualquer ‘rede quântica’. Porém há diferentes formas de definir o entrelaçamento entre…”qubits vizinhos”. Até hoje modelavam-se redes quânticas, basicamente como grafos estruturados periodicamente, isto é… “reticulados“.

Neste novo trabalho, definiu-se a quantidade de entrelaçamento entre 2 nós como                a probabilidade de conexão dos grafos aleatórios clássicos … o que faz emergir um diferente comportamento qualitativo…mesmo para a mais baixa probabilidade de conexão, isto é, se o entrelaçamento entre os nós é, a princípio, apenas o bastante          para receber ligações simples, é de fato possível gerar ‘subgrafos‘ de comunicação              de qualquer complexidade. Este resultado baseia-se no princípio da ‘superposição quântica‘, e na capacidade de manipular qubits nas ‘estações’ – de forma coerente.

Sébastien Perseguers — um dos autores do trabalho…afirma que: “Em nosso artigo, queremos ressaltar que as redes com uma estrutura desordenada e sem ‘reticulados periódicos’ têm de ser analisadas no contexto da comunicação quântica”. – Para ele:        “Com efeito é bem conhecido o fato das redes de comunicação do mundo real terem        uma ‘topologia complexa‘, e podemos prever que o mesmo acontecerá com as redes quânticas. – Além disso, enfatizamos que os melhores resultados são obtidos, ao se      ‘pensar quanticamente’ – não apenas na escala das conexões – mas também, numa ‘perspectiva global‘ da rede. E, para isso, é essencial aprofundar o entendimento          de um…‘entrelaçamento quântico compartilhado‘…entre mais de duas partículas”.

Agora, os pesquisadores planejam estender seu modelo para as “redes de estruturas complexas”, que descrevem a grande variedade de sistemas na natureza e sociedade.      Eles esperam – dessa maneira – não apenas encontrar muitos fenômenos novos – e inesperados…quanto aos “aspectos teóricos” das redes – como também “utilizações práticas” para simular e prever, tanto sistemas naturais, quanto sociais. (texto base)  ******************************************************************************

“Informações quânticas” trafegam em…“rede de fibras óticas“                            Com nova técnica para converter ‘fótons’…de modo a transportar dados                  quânticos em comprimentos de onda transmissíveis a longas distâncias,                              através de redes de fibra ótica, obteve-se grandes avanços, num aspecto                    fundamental desses… ‘sistemas quânticos‘ — a “transmissão de dados“.

Cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia, EUA, fizeram avanços em elementos-chave necessários para os sistemas de informação quântica…Estes avanços constituem ferramentas importantes para a construção de um protótipo de rede de informação quântica, codificando dados de forma segura, no  entrelaçamento de átomos e fótons,  com o objetivo de distribuir qubits entrelaçados por longas distâncias. – Estes qubits viajavam como fótons, nas redes de fibras óticas do atual sistema de telecomunicações. Devido às perdas na intensidade do sinal ao longo dessas fibras óticas, será necessário instalar “estações repetidores” em intervalos regulares na rede, para reforçar os sinais.

Para lidar com qubits…esses repetidores vão precisar de uma “memória quântica“… – para receber o sinal fotônico… armazená-lo brevemente…e depois produzir um outro sinal de maior intensidade…para transportar os dados ao… “nó seguinte“… — e assim por diante… — até seu destino final. 

Nesse sentido… os pesquisadores desenvolveram a técnica necessária para converter, de volta – os fótons com dados quânticos, para comprimentos de onda infravermelhos – mais apropriados para a transmissão em “sistemas de telecomunicação” convencionais. A técnica é considerada eficiente, com baixo nível de ruído – e…praticamente sem perda significativa das informações “codificadas quanticamente”… no entrelaçamento dos fótons. 

Assim que os fótons são convertidos em comprimentos de onda de telecomunicações, eles viajam através de uma fibra ótica…e retornam para a armadilha magneto-ótica… — sendo então convertidos de volta… a comprimentos de onda infravermelhos… para verificar se o emaranhamento quântico foi mantido… Esta conversão entre comprimentos de onda dos fótons que carregam informações quânticas, ocorre no interior de um ‘sofisticado sistema’, preparado para maximizar a probabilidade de interação com os fótons que chegam… pelo objetivo de apropriá-los à transmissão…nos sistemas de telecomunicações convencionais.

Aumento de vida útil da informação                                                                                    Cientistas conseguiram uma grande evolução, no período de tempo                                      em que um “repetidor quântico” (para transmissão da informação)                                          é capaz de manter uma dada informação armazenada na memória.

A memória quântica é criada quando a energia luminosa de um laser excita, dentro de uma ‘grade óptica‘, nuvens densas e superfrias de átomos de rubídio (elemento químico usado em semicondutores). Os fótons…assim formados, carregam informações quânticas sobre a própria excitação – e são, desse modo… introduzidos no sistema de conversão do comprimento de onda. – Nestes experimentos feitos, a memória ficou preservada por 0,1 segundo; duração que se aproxima do objetivo dos pesquisadores na área… — obter uma memória quântica que dure por pelo menos 1 segundo…tempo suficiente para transmitir    informação ao nó seguinte da rede. – Numa ‘rede quântica’, um link entre nós vizinhos é feito por um par de qubits entrelaçados. Assim, um elo de uma rede quântica representa    o entrelaçamento entre 2 qubits…Dessa forma, portanto, um nó possui, exatamente, um qubit para cada vizinho – e, como pode agir sobre esses qubits…é chamado de ‘estação‘.

“Esse é o 1º sistema em que uma memória quântica de longa duração foi integrada com a transmissão em comprimentos de onda de telecomunicação…Dessa forma – temos agora as ferramentas necessárias para a construção de um repetidor quântico”…concluiu Brian Kennedy – professor da Escola de Física da “Georgia Tech”… e um dos autores do estudo. “Um fóton de luz infravermelha que entra… se torna um fóton de luz de telecomunicação que sai, numa conversão muito eficiente…com pouco ruído” – complementou então Alex Kuzmich, co-autor da pesquisa. (Agência Fapesp) # (texto base complementar) set/2010  *********************************************************************************

A informação quântica é gravada na polarização de um fóton, que pode então ser transmitido pela fibra ótica.

Transmitindo bits luminosos

Todos os dias fibras ópticas transmitem informações — à velocidade da luz — no mundo todo…A ‘grande novidade’ é que elas …  também podem ser aproveitadas no transporte de informações quânticas.  Para demonstrar isso… Andreas Stute, e colegas da “Universidade de Innsbruck”,  Áustria, lograram transferir informação quântica, armazenada num átomo (Ca), ao longo de uma ‘rede de fibra ótica’, para alcançar um outro ‘átomo distante’.

Entre as tecnologias mais promissoras para a construção de computadores quânticos estão os sistemas de átomos individuais…confinados em armadilhas de íons, e manipulados com raios laser… — De acordo com Stute… “Atualmente já podemos realizar cálculos quânticos com átomos… No entanto, ainda falta construir interfaces viáveis pelas quais a informação quântica possa ser transferida… – por ‘canais óticos‘… – de um computador para outro”.

Interface quântica

Diagrama esquemático do funcionamento do primeiro protótipo de uma rede quântica. [Nature]

O que torna a construção dessas interfaces algo difícil, apesar de não impossível, são as próprias leis da mecânica quântica… que não permitem que a informação quântica seja simplesmente copiada. Em vez disso, uma futura internet quântica, isto é, uma rede de computadores quânticos ligados por canais óticos… – terá de transferir as informações quânticas, para partículas individuais de luz… – os ‘fótons’… – Estes fótons…poderão então, ser transportados através de fibras óticas…para outros computadores quânticos.

Fótons são ideais para transferir informação por longas distâncias…enquanto átomos oferecem o meio vantajoso para ‘memória quântica’ de longa duração. Essa combinação representa uma arquitetura promissora para um ‘repetidor quântico‘ que permitirá que informações quânticas se transfiram por distâncias muito maiores do que seria possível apenas com fótons. Esse teletransporte de informação pode constituir a base de uma ‘Internet quântica‘… capaz de superar em muito qualquer outro tipo comum de rede. 

O que os pesquisadores fizeram agora – pela primeira vez, foi transferir diretamente a informação quântica do átomo, ou seja, do qubit, para um único fóton. – Sendo que, o qubit onde está a informação é um íon de cálcio… preso em uma “armadilha iônica”;  isto é colocado entre 2 espelhos altamente reflexivos. Sobre isso, Stute ainda explicou:  “Nós usamos um laser para gravar a informação quântica nos estados eletrônicos do átomo – que então…foi excitado com um 2º laser…Como resultado, ele emitiu fótons. Neste momento, pudemos anotar a informação quântica registrada no átomo sobre o ‘estado de polarização’ do fóton…mapeando assim…a informação na partícula de luz”.

Noutras palavras, a informação é lida no átomo, e gera-se um fóton cuja propriedade contém aquela mesma informação. – O fóton então, é armazenado entre os espelhos,      até que, afinal, passe por um dos espelhos – menos reflexivo do que o outro…Os dois espelhos orientam o fóton numa direção específica… – guiando-o em uma fibra ótica.          A ‘informação quântica‘ armazenada nos fótons pode assim ser transmitida ao longo          da fibra ótica – a um computador quântico distante…onde a mesma técnica pode ser aplicada ao reverso…para assim então, escrever a informação de volta em um átomo. (Informação da matéria p/luz # informação da luz p/matéria)  (texto base) fev/2013  *******************************************************************************

As (infinitas) possibilidades do “teletransporte quântico”                                   Satélites poderiam ser usados para enviar poderosas ‘chaves de encriptação’                      de dados, usando fótons emaranhados. O vácuo do espaço poderia resolver                        o ‘problema da distância’ – encontrado em enviar sinais quânticos na Terra.

Primeira transmissão quântica via satélite

Cientistas tentam construir uma “rede espacial quântica” de comunicações, que possa permitir transmissões impossíveis de monitorar… Fazer isso, pode tornar possível o…”teletransporte quântico de informações” no espaço. Seria fantasmagórico o suficiente, até para assustar Einstein brinca Thomas Jennewein (‘Waterloo University’, Canadá). Estudos em ‘encriptação’    poderiam ter “implicações práticas” imediatas.      O processo com fótons emaranhados usado no experimento seria aquele mesmo que Einstein denominou…’ação fantasmagórica à distância’;    e…Jennewein, logicamente…ainda completou:

“Se conseguirmos usar correlações entre fótons emaranhados                    para estabelecer uma “chave [de encriptação] quântica”… ela                  poderia ser utilizada – para manter…comunicações seguras”.

Einstein, e seus colegas (Podolsky e Rosen) teorizaram, em 1935…que, se você tiver dois sistemas quânticos interagentes, como dois átomos numa molécula … e depois separá-los, ele permaneceriam emaranhados…o que significa que suas propriedades estariam ligadas, inextricavelmente. – Medir um átomo produziria instantaneamente, uma modificação no outro…não importando o quanto separados entre si… Einstein também acreditava em um limite de velocidade universal; e como nada poderia viajar mais rápido que a luz, pensava que essa comunicação (“ação fantasmagórica”) seria impossível. — Porém, em 1972…um grupo de cientistas mostrou que – ao menos nas curtas distâncias de seu experimento… é exatamente isso o que acontece. Como aliás, décadas antes, Heisenberg já havia proposto em seu… “princípio da incerteza” — que o simples observar de uma partícula … altera suas propriedades — como também (instantaneamente), as de seu…”gêmeo emaranhado”.

No ‘entrelaçamento’, as propriedades de uma partícula afetam as propriedades da outra, mesmo quando as partículas são separadas por uma grande distância…de fato, qualquer distância. O teletransporte quântico envolve 2 partículas distantes entrelaçadas, quando    o estado de uma terceira partícula “teleporta” instantaneamente seu estado para as duas partículas entrelaçadas. – Um bit de computador eletrônico atual possui um único valor binário, que pode ser “0” ou “1”, mas pelo fenômeno da “superposição” qubits quânticos podem ser “0” e “1”…ao mesmo tempo — se comunicando uns com os outros — não por eletricidade dentro dos chips, mas teletransportando informações de forma instantânea. Essas capacidades estão na base do grande potencial dos “computadores quânticos“.

Menores estações de rádio – 2 moléculas trocando informações por fótons individuais, um tipo de “rádio quântico”.

“Encriptação quântica”

A encriptação comum… – envolve o uso de chaves…séries de números e letras, que codificam e decodificam mensagens… O remetente tem uma chave que encripta a mensagem…a pessoa recebendo a mensagem tem outra, que a decodifica… – Pode-se então encaminhar feixes de “sinais quânticos” de um lugar para outro, produzindo ‘chaves de encriptação’.  

Todavia, sinais de “comunicação quântica” não são capazes de viajar muito na Terra. — O recorde atual é de 142km…estabelecido nas Ilhas Canárias, pelo próprio Jennewein, então na Universidade de Viena. O problema é a perda da transmissão na dispersão atmosférica. Nem mesmo o uso de cabos de fibra-ótica é a solução…De acordo com Josua Bienfang, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, outro especialista no ramo…as chances de um único fóton viajar com segurança por mais de 400km num cabo de ‘fibra-ótica’ são baixas.

Teletransporte quântico (via satélite)                                                                                      “Contudo, no “teletransporte quântico” espacial, os objetos não são movidos.                    Em vez disso… sua informação, codificada num estado quântico, desaparece                    (de uma partícula na Terra) para reaparecer em outra partícula no espaço”.

Satélite de comunicação quântica pronto para ser testado

É por isso que Thomas Jennewein, da Waterloo University, Canadá…e colegas,              estão pensando no espaço, onde os feixes não se dispersariam no vácuo. Entre            outros projetos seu laboratório já produziu um modelo de satélites para testes.              Estes poderiam enviar poderosas chaves de encriptação de dados que utilizam            fótons emaranhados. — O vácuo do espaço resolveria o problema da distância,                  em enviar sinais quânticos na Terra…Jennewein nos descreve um sistema, em                  que certo dispositivo… em um satélite… cria simultaneamente pares de fótons emaranhados, e os transmite, um membro de cada par, a 2 estações terrestres,                    em feixes de milhões de fótons — todos emaranhados em “estados quânticos“.

Isso significa que as 2 estações teriam a mesma chave. As 2 estações                                iriam compará-las. Se as transmissões não foram interceptadas, ou                                  modificadas por ‘espião’… as chaves seriam simplesmente idênticas.

Em seguida o remetente enviaria uma mensagem encriptada da maneira convencional, sabendo que ninguém está ouvindo. Mas…se houver qualquer alteração nas chaves…o     que aconteceria se alguém interceptasse a mensagem…a teoria de Heisenberg entraria     em ação, e os fótons seriam alterados. As 2 partes saberiam da existência do espião…e,    ou reenviaram as chaves ou tentariam outro sistema. Desse modo concluiu Jennewein:        “O esquema exigiria 3 fótons…Um, o fóton de entrada, para ser teletransportado, e 2 outros…emaranhados e separados. O fóton de entrada é correlacionado com um dos emaranhados, e portanto…seu ‘estado quântico’ é completamente transferido para o outro fóton emaranhado… que pode estar distante. – O fóton final é o novo ‘original’,       e os fótons iniciais… perdem totalmente suas informações”.  (texto base)  (mar/2013)  ********************************************************************************

Teletransporte com “reciclagem quântica”                                                                    Os protocolos de teletransporte desenvolvidos até agora só podiam enviar informações embaralhadas – exigindo correção pelo receptor… – ou, mais recentemente…’baseados em portas’…que não necessitam de correção…mas, de uma quantidade impraticável de entrelaçamento – já que cada objeto enviado poderia destruir o… “estado entrelaçado”.

O entrelaçamento envolve um par de partículas quânticas — assim como elétrons e fótons, intrinsecamente ligadas entre si…retendo sincronização nas partículas…estejam próximas uma da outras – ou, em lados opostos da galáxia. — Através dessa conexão, bits quânticos de informação (qubits)…são passíveis de transmissão, por somente formas clássicas de comunicação. Porém, o protocolo agora criado fornece uma ‘solução sequencial’…na qual o estado entrelaçado é “reciclado“, de forma que a ligação entre partículas se mantém no teletransporte de múltiplos objetos, mesmo considerando    o caso natural de um ‘desentrelaçamento’, proporcional à quantidade de qubits enviados.

Sergii Strelchuck (Universidade de Cambridge), realizador da pesquisa, com seus colegas Jonathan Oppenheim (“Universidade de Londres” – descobridor de uma “surpreendente conexão entre fenômenos quânticos“), e Michal Horodecki (da ‘Universidade de Gdansk’, responsável por demonstrar a “criptografia quântica” na prática, pela 1ª vez) explica que: “O 1º protocolo consiste em ‘estados sequenciais’ de teletransporte…e o 2º — em blocos”.    E…segue Strelchuck: “Também descobrimos uma técnica generalizada de teletransporte, que esperamos encontrar aplicações em áreas como…’computação quântica’. Existe uma ligação estreita entre o teletransporte e os computadores quânticos, que são dispositivos que exploram a mecânica quântica para realizar cálculos impraticáveis num computador clássico. – Com efeito, construir um computador quântico é um dos grandes desafios da física moderna, e espera-se que este novo protocolo de teletransporte avance nesta área”.

Embora o novo protocolo seja inteiramente teórico, o ‘entrelaçamento quântico’ é cada vez mais visto como uma importante área de investigação científica. Para se ter uma ideia, ano passado uma equipe de cientistas chineses conseguiu ‘teletransportar’ fótons a mais de 143 kms de distância, quebrando recordes anteriores. – Nesse protocolo…o ‘entrelaçamento’ é aproveitado no ‘teletransporte quântico’ para transmitir blocos de informação do tamanho de… “partículas” – por distâncias relativamente enormes… e, de um modo potencialmente ‘instantâneo’. – Mesmo totalmente teórico, sua implementação…na prática – é ‘questão de tempo’. E, apesar da computação quântica já ser uma realidade palpável, transmitir dados a longa distância (por uma ‘internet quântica’) ainda é um desafio. (texto base) (jun/2013)  ************************************************************************************

Dois experimentos de Teletransporte de…”informações quânticas”                        “Como no teletransporte quântico tudo o que acontece com a partícula A … imediatamente afeta a partícula B – torna-se possível transferir a informação, sem transferir fisicamente a partícula – estas continuam em seus lugares… – não saem do ponto A … e são recriadas no ponto B (os qubits não desaparecem…e reaparecem) – a única coisa que vai de um ponto a outro… — é justamente a…’informação‘…que se encontra guardada no interior do qubit”.

[University of Tokyo]

Shuntaro Takeda e colegas da “Universidade de Tóquio”, juntaram 2 técnicas já utilizadas anteriormente combinando qubits fotônicos, com teletransporte de ondas óticas; assim, a informação é guardada em um ‘bit quântico’, mas viaja através de uma “conexão clássica”, por fibra ótica. — Isto elimina a necessidade da medição pós-teletransporte, para ver se a coisa funcionou…tal como era de se esperar.

Com isto, a taxa de eficiência aumentou mais de 100 vezes em relação aos experimentos anteriores, “deixando de ser probabilística…para ser determinística”. – Os qubits foram enviados do Japão até a “Universidade Johannes Gutenberg”, Alemanha, uma distância acima de 10 mil km… Para eles, seria possível melhorar a técnica até 100% de eficiência, quando o teletransporte de qubits se viabilizaria para uso em “computadores quânticos”.

No 1º experimento…combinando qubits fotônicos com teletransporte de ondas óticas, a informação é guardada em um ‘bit quântico’, mas viaja através de uma conexão clássica por fibra ótica…eliminando assim, a necessidade da medição pós-teletransporte — para ver se a coisa funciona. Na realização desse procedimento, em vez de entrelaçar apenas      2 qubits, foram entrelaçados vários deles; com mais informação enviada de uma só vez. Dessa maneira, os qubits viajaram mais de 10.000 km… – com…79 a 82%…de precisão.

Teletransporte de estado sólido (2º experimento)                                                Abordagem muito próxima da utilização prática em computadores quânticos, ainda que seja apenas para transmitir informações da ‘memória’ ao ‘processador’ — ou entre estes.

Lars Steffen e colegas do “Instituto Federal de Tecnologia“…Suíça – teletransportaram seus qubits por uma distância muito menor…6 milímetros. – Contudo, há duas grandes vantagens na técnica utilizada… – A 1ª é que o teletransporte quântico foi realizado por meio de um minúsculo… “circuito eletrônico de estado sólido” – e não, pelos enormes e delicados aparatos fotônicos. Em vez da conexão óptica usada nos outros experimentos,    a técnica emprega circuitos supercondutores postos frente a frente. O 2ª ganho – é que      o teletransporte é muito mais rápido – podendo transmitir até 10 mil qubits p/segundo;  se aproximando assim da utilização prática em computadores quânticos – ainda que só para transmitir informações da…“memória” ao “processador” – ou entre estes mesmos.

No 1º experimento…o teletransporte se tornou determinístico, alcançando um aproveitamento de quase…100%, passando a ser realizado — por assim dizer…ao        “apertar de um botão“. – Já no  2º experimento – também determinístico … o teletransporte, foi realizado por um…circuito de estado sólido – dispensando,              desse modo — todos os complicados…”aparatos fotônicos”. texto base (ago/2013)  ****************************************************************************

Informação (fantasmagórica) transferida acima da velocidade da luz (mar/2015)    Em termos práticos… – os experimentos não conseguem dar uma “palavra final” sobre     o assunto porque normalmente dependem do transporte clássico de partículas, ou seja, fótons viajando ao longo de ‘fibras ópticas’. – Todavia… tudo isto pode estar mudando.

Esquema da geração de um estado entrelaçado não local, sem troca de partículas, que poderá ser usado em futuras arquiteturas de computação quântica. [Imagem: Qi Guo et al.]

No caso da ‘ação fantasmagórica à distância‘,  baseada no fenômeno do…’emaranhamento’ partículas entrelaçadas influenciam-se entre si… mesmo estando em extremos opostos da galáxia. – E isto se daria ‘instantaneamente’, ou seja…mais rápido do que a velocidade da luz – mas ninguém sabe como … e os físicos ainda não concordam em uma ‘troca real’ de informações, apenas por meios quânticos. O teletransporte quântico até agora, ainda não passou pelo…“teste de Bell incontestável“, o qual — provando a existência de ‘influências escondidas além do espaçotempo‘, daria um fim ao ‘limite universal’ da velocidade da luz.

Em 2013, Hatim Salih, do Centro Nacional de Física e Matemática da Arábia Saudita, desafiou essa noção, em um artigo publicado na principal revista de física do mundo, mostrando que a informação pode de fato ser transferida entre 2 pontos… – sem que qualquer partícula viaje entre eles. – Isto é possível graças ao fenômeno “efeito Zeno quântico encadeado“, no qual uma série de medições encadeadas garante que ‘nunca’ haverá “decoerência” do estado quântico das partículas entrelaçadas…ou seja, que as 2 partículas ‘gêmeas‘ nunca perderão sua conexão intrínseca, que permite a tal ‘ação fantasmagórica’, onde tudo que acontece a uma…se refletirá imediatamente na outra.

Agora, Qi Guo e colegas do Instituto de Tecnologia Harbin, na China, apresentaram a proposta de um esquema experimental (acima) no qual a ‘informação’, efetivamente,     pode ser transferida entre duas partículas separadas, sem qualquer tipo de “partícula mediadora” entre elas – e…sem que ambas precisem estar inicialmente juntas para o ‘entrelaçamento’. Eles demonstraram a possibilidade teórica de entrelaçar 2 qubits,      sem haver interação entre si; ao contrário dos já conhecidos experimentos, nos quais        as partículas são, a princípio, entrelaçadas juntas…para depois…então, se separarem.

Isto significa que um qubit poderá transferir informação para outro qubit desconhecido…de forma não-determinística… sem qualquer comunicação                          clássica… – e…sem que eles tenham sido … previamente … “entrelaçados”.

Este interferômetro poderia abarcar uma galáxia inteira, permitindo a construção de uma internet galática. [Qi Guo et al.]

“Internet galática”

Além de balançar toda interpretação aceita da… “mecânica quântica” — o experimento proposto dá um novo alento à ‘computação quântica’, porque demonstra ser possível a troca de informação entre qubits distantes.    E assim, experimentos com “teletransporte quântico” poderão ter um…novo impulso… permitindo… – eventualmente… refazer os cálculos…sobre – o tempo que levaria para teletransportar um ser humano. – E, Shou Zhang – chefe da equipe…ainda comentou:

“Teoricamente é possível construir uma… ‘internet galática‘… ou até                      intergalática, usando este esquema – que exigirá um interferômetro de                          braço longo, intra ou inter-galático – e um objeto quântico com ‘tempo                                de coerência’ bem longo. O que hoje, obviamente, ainda é impraticável”.

Mas Zhang acredita que um experimento mais “terráqueo”…para demonstração efetiva do esquema pode ser possível com a tecnologia atual, utilizando um átomo individual natural e um átomo artificial, chamado átomo de Rydberg…um complexo ultrafrio constituído por um vapor metal-alcalino. Tal “sintetização” é justamente…seu próximo passo. (texto base)  ************************************************************************************  p/consulta: Teletransportando moléculas de DNA (jan/2011) # ‘Choque de realidade na computação quântica’ (out/2015) Como será Internet super-rápida do futuro? (out/2017) “Extraindo energia do nada” “QuantaMagazine” (fev/2023) O protocolo de teletransporte de energia quântica proposto em 2008, é comprovado em 2 experimentos independentes.   ******************************(texto complementar)********************************

China constrói primeira estação de satélite quântica móvel do mundo                  A 1ª estação terrestre portátil do mundo, capaz de enviar e receber comunicações quânticas seguras, já está em funcionamento. A estação se conectou com sucesso,              ao satélite espacial quântico Mozi – outro “pioneiro”, lançado em agosto de 2016.

Dois bancos estatais chineses já estão usando o sistema de criptografia quântica via satélite. [Jin Liwang/Xinhua]

A equipe do professor Ji-Gang Ren, da “Universidade de Ciência e Tecnologia” da        China, usou uma estação móvel para enviar uma transmissão segura de dados…a            partir de Jinan…nordeste da China. — Ao contrário da estação terrestre utilizada          originalmente, com mais de 10 toneladas, esta estação móvel pesa cerca de 80 kg,        sendo portanto, pequena o suficiente…para ser instalada até no teto de um carro.

A redução significativa de massa e volume da estação foi possível, graças a uma                  ligeira redução na potência de transmissão. A estação terrestre móvel transmite          dados a uma taxa entre 4.000 e 10.000 bits por segundo – em comparação com              uma taxa de cerca de 40.000 bits por segundo… — relativa às estações maiores.

Esquema do primeiro satélite de comunicações quânticas, o Mozi. [Chinese Journal of Space Science]

Criptografia de ‘chaves quânticas’  A equipe usou a estação terrestre móvel para realizar a distribuição de…”chaves quânticas”, uma forma de comunicação segura pela transmissão de fótons. Essa técnica inovadora, permite a 2 usuários compartilharem uma ‘chave secreta‘ na codificação criptográfica/decodificação de informações, com virtualmente uma segurança total (o intuito de espionar a chave é de pronto, acusado no sistema).

Uma chave foi transmitida via Mozi entre a estação terrestre móvel em Jinan…e outra fixa em Xangai. – Segundo Ren … a construção da estação terrestre quântica móvel foi exigida pelos usuários do sistema, como o Banco Industrial e Comercial da China (ICBC). O ‘ICBC’ e o Banco Popular da China já estão usando a distribuição de chaves quânticas por satélite entre cidades distantes, como Pequim (nordeste da China) e Ürümqi no extremo noroeste.  A equipe anunciou também que planeja lançar um “nanossatélite quântico”, nos próximos 2 anos – voltado para clientes comerciais – para que cada vez mais usuários usem “chaves quânticas” – no intuito de proteger suas informações confidenciais. texto base (jan/2020)  ************************************************************************************

Como guardar um segredo?…Use o jeito quântico de comunicação (ago/2020)    ‘Protocolo quântico permite compartilhar um segredo … entre um nº recorde de agentes’.

Ilustração do compartilhamento quântico de segredos usando luz estruturada. [Wits University]

Diz o ditado que ‘segredo de 3 não é segredo‘ mas usando os “truques” … da ‘tecnologia da informação quântica‘ podemos compartilhar informações em segurança, com um número bem maior de confidentes… – sem qualquer preocupação com vazamentos…segredo que só pode ser desvendado com a concordância total das partes entre si. – No trabalho ficou quebrado novo recorde no nº de ‘dimensões do estado quântico’ (11) … afetando assim, o tamanho do segredo – e o nº de agentes (10) com os quais o “segredo” – é compartilhado.

Esse é um passo importante para uma segura distribuição de informações entre os muitos nós de uma futura ‘internet quântica‘, como então explicou o professor Andrew Forbes, da “Universidade de Witwatersrand” – África do Sul: “Em uma segura comunicação quântica tradicional, as informações são enviadas de uma parte para outra…geralmente apelidadas Alice e Bob. Na linguagem das redes, isso seria considerado…’comunicação ponto a ponto’, e, por definição, possui apenas 2 nós – ‘remetente’ e ‘receptor’…Mas, qualquer pessoa que envie e-mails sabe que – muitas vezes – as informações precisam ser enviadas para várias pessoas; isto é, um remetente e muitos receptores. — A comunicação quântica tradicional, como a distribuição de chave quântica (QKD), feita apenas no formato ponto a ponto, não permite isso. – Nosso novo esquema foi criado … justamente para supera esta deficiência”.

Um estranho mundo novo da luz, está permitindo manipular informações de um jeito que não é possível com as redes convencionais. [Harvard]

Compartilhando “segredos quânticos”

Utilizando ‘luz estruturada‘ para estabelecer estados quânticos…específicos de fótons – a equipe conseguiu mostrar – como distribuir informações… – de um remetente – para 10 receptores… — Esses fótons … estruturados como diferentes padrões de luz, permitiram ampliar o limite de “dimensões disponíveis” para manipulação… Mais dimensões para a luz significam mais informações — o que se poderia traduzir, diretamente, numa maior explicação de luminosos segredos. O grupo, criou então um protocolo para que…apenas se as partes concordassem…umas às outras, o segredo seria revelado. E Forbes explicou:

“Em essência, cada parte não possui nenhuma informação útil…mas se confiarem                umas nas outras … o segredo poderá ser revelado. – O nível de confiança pode ser        definido…desde apenas algumas das partes, até todas elas. É importante ressaltar                  que em nenhum momento o segredo é revelado – por meio da comunicação entre              as partes – ninguém precisa contar o segredo. – Dessa maneira, um segredo pode                  ser compartilhado — de um modo fundamentalmente seguro … em muitos nós de          uma rede; como uma espécie de…compartilhamento quântico de segredos“.

O trabalho deixa a…”comunicação quântica”, mais próxima da verdadeira implementação  de…”rede” – ou seja – muitas partes conectadas – que desejam compartilhar informações.  Forbes então concluiu… “E agora, sabemos como fazer isso do jeito quântico.” (texto base)  **********************************************************************************

Teletransporte com matéria (elétrons) é realizado pela primeira vez  (jun/2020)  Embora o teletransporte de objetos macroscópicos exista…por enquanto, apenas na ficção científica – a maior…“sala de teletransporte” existente hoje tem o tamanho de um chip – o teletransporte no mundo subatômico da mecânica quântica já é realidade há algum tempo.

No mundo quântico, o teletransporte tem envolvido o transporte de informações, e não      o transporte de matéria…Ano passado, cientistas confirmaram que informações podem    ser passadas entre fótons nos chips do computador, mesmo quando os fótons não estão fisicamente ligados…eles teletransportaram uma operação lógica inteira. – Com tantos progressos – começam a surgir indícios de que o teletransporte também possa envolver matéria. E, de fato, experimentos realizados por um grupo das universidades Rochester      e Purdue…EUA, mostraram agora que o teletransporte também pode ser possível entre elétrons. – Este, de fato, é um passo importante na melhoria da “computação quântica”, porque os qubits, produzidos por elétrons individuais, são promissores para transmitir informações nos bem conhecidos “semicondutores” da eletrônica atual — não exigindo, assim: supercondutores, diamantes, e outras plataformas de qubits usadas atualmente.

Micrografia do semicondutor usado no teletransporte e esquema da transferência de informações entre elétrons. [Haifeng Qiao et al.]

Como explicou o professor John Nichol – membro da equipe: “Elétrons individuais são qubits promissores porque interagem muito facilmente entre si…e, em semicondutores, também são escalonáveis; portanto, a criação confiável de interações de longa distância entre elétrons é essencial para a computação quântica”. Até agora…vinha se mostrando difícil criar pares entrelaçados de qubits de elétrons que operassem a longas distâncias;  necessários ao teletransporte…porque os elétrons geralmente ficam confinados em um único local, ao contrário dos fótons, que se propagam naturalmente a longas distâncias.

Para lidar com esse problema Haifeng Qiao (pesquisador do grupo) teve uma                      grande ideia. — Ele utilizou uma técnica recentemente desenvolvida, baseada                    nos princípios de interação de Heisenberg/Dirac, ou…”acoplamento de troca“.

Qubits de elétrons                                                                                                                        “Fornecemos evidências para…’troca de emaranhamento’…entre 2 elétrons (mesmo sem interação de partículas) … e o ‘teletransporte de porta quântica‘ (técnica potencialmente útil na ‘computação quântica’) … mostrando que isso pode ser feito sem o uso de fótons”.

Um elétron individual é como um ímã comum – com um polo norte e um polo sul, que podem apontar para cima ou para baixo. A direção do polo…se o norte está apontando para cima ou para baixo, por exemplo – é conhecida como “spin” do elétron, momento magnético do elétron…ou estado de rotação quântica. Quando várias dessas partículas      têm o mesmo ‘momento magnético’…elas não podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo, um fenômeno chamado superposição, que é comum no reino quântico. Ou seja,      2 elétrons no mesmo estado quântico não podem ser ‘superpostos’ … pois seus estados      se alternariam no tempo. – Nesse caso…os pesquisadores então usaram a técnica para distribuir os pares entrelaçados de elétrons – e teletransportar seus…”estados de spin”.

Estes experimentos abrem caminho para realizar o ‘teletransporte quântico’                            envolvendo ‘estados de spin’ de toda a matéria — não apenas dos fótons… e                    fornecem mais evidências para as capacidades…’surpreendentemente úteis’                      dos elétrons individuais — como qubits — em semicondutores. (texto base)                  p/consulta: “Protocolo de teletransporte de energia quântica”  (fev/2023) **********************************************************************

‘Qubits entrelaçados’ para futuras redes de comunicação quântica (mar/2021)    Uma série de avanços para a ‘computação quântica‘ mostram que estamos cada vez mais próximos de uma internet quântica. Por outro lado, progressos obtidos em várias frentes simultaneamente também tornam mais difícil prever … qual será o tipo de plataforma de computação quântica … que se afirmará como novo paradigma da computação no futuro.

Severin Daiss e colegas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica interconectaram 2 qubits localizados em laboratórios diferentes a um “computador quântico distribuído”. Eles utilizaram uma fibra óptica de 60 metros de comprimento ligando os qubits; mas foram além… – Mesmo a essa distância…os 2 qubits foram usados para construir uma ‘porta lógica quântica‘ (bloco básico de cálculo de um computador quântico)…fazendo    assim o 1º protótipo de um computador quântico distribuído…e provando ser possível mesclar computadores quânticos menores, numa unidade de processamento conjunta.

Enquanto o desempenho dos computadores eletrônicos binários resulta de grandes memórias e ciclos de computação rápidos – o sucesso do computador quântico está          no fato de uma única unidade de memória (bit quântico…’qubit‘) ter superposições            de diferentes valores possíveis…ao mesmo tempo. Assim, um computador quântico          não apenas calcula um resultado de cada vez…como também…em paralelo…muitos resultados possíveis. De fato, quanto mais qubits estiverem interconectados em um computador quântico… – mais complexos os cálculos que ele será capaz de realizar.

Impressão artística dos qubits com átomos de Rydberg. O qubit no centro controla o estado dos qubits vizinhos por meio de interações de longa distância. [Celina Brandes/University of Stuttgart]

Computador quântico Rydberg        Uma equipe da Universidade de Stuttgart conseguiu agrupar…”átomos de Rydberg” numa armadilha de luz bidimensional…e usá-los em “operações lógicas quânticas” como ‘qubits‘…Sendo mil vezes maiores    do que os átomos normais…eles são uma promissora plataforma à … “computação quântica” — pois… devido ao seu elétron, levemente ligado, podem ‘sentir’ uns aos outros até 5 micrômetros de distância. E assim o físico Florian Meinert comentou:

“Para os átomos, esta é uma distância gigantesca…Além disso, a excitação deles é particularmente ‘coerente’…isto é, controlada e livre de perturbações. — Estamos confiantes de podermos melhorar o desempenho por ordens de magnitude… — o                que será necessário para configurar um computador quântico Rydberg funcional”.

Qubits compartilhados

Youpeng Zhong e colegas da “Universidade de Chicago” enviaram qubits entrelaçados por meio de um cabo de comunicação, que liga um nó de uma rede quântica a um segundo nó. Para enviar os “estados entrelaçados”…através desse cabo supercondutor de um metro de comprimento – os pesquisadores criaram uma configuração experimental – com 3 qubits supercondutores em cada um dos 2 nós. Eles conectaram ao cabo um qubit em cada nó, e então enviaram estados quânticos – na forma de fótons de micro-ondas…através do cabo, com perda mínima de informação – todavia, a natureza frágil dos estados quânticos faz o processo de difícil execução. Nesse sentido, o sistema permitiu que o entrelaçamento dos qubits fosse…”amplificado“ — através do emaranhamento…no envio de um qubit por nó. Eles então estenderam esse entrelaçamento aos outros qubits em cada nó. Ao final, todos os 6 qubits nos 2 nós estavam ‘entrelaçados’…em um único ‘estado global’ compartilhado.

No futuro, computadores quânticos provavelmente serão construídos a partir de módulos onde a computação será feita por famílias de qubits. – Esses computadores poderiam, em última análise, ser construídos a partir de muitos desses módulos em rede, semelhantes à forma como “supercomputadores” hoje conduzem uma ‘computação paralela’, em muitas unidades centrais de processamento…conectadas umas às outras. Assim, a capacidade de entrelaçar qubits remotamente em diferentes módulos, ou nós, é um avanço significativo para permitir esse tipo de “abordagem modular” … na computação quântica.  (texto base) Consulta: ‘Physicists develop efficient modem for a future quantum internet‘ (nov/2020)