Recorde de Entrelaçamento Quântico é Quebrado: Chineses Entrelaçam Memórias Quânticas por 420 km de Fibra Óptica

Publicado na Physical Review Letters como Sugestão dos Editores e postado originalmente no arXiv , o experimento representa um passo concreto de redes quânticas de escala metropolitana para enlaces interestaduais reais.

Como o experimento funcionou

O sistema foi construído em torno de dois nós de memória quântica, apelidados de Alice e Bob, com um nó de medição central (Carlos) entre eles . Cada nó de memória era uma nuvem de átomos de rubídio-87 resfriados e presos por lasers. Para criar o entrelaçamento, a equipe usou um protocolo bem conhecido chamado esquema Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) . Nessa abordagem, cada memória emite probabilisticamente um único fóton. A detecção desse fóton no nó central sinaliza que as duas memórias se tornaram entrelaçadas.

A equipe teve que superar três obstáculos principais para chegar aos 420 km:

Conversão de comprimento de onda. As memórias de rubídio emitem fótons naturalmente em torno de 780 nm, no infravermelho próximo. Estes seriam rapidamente absorvidos em longos trechos de fibra. A equipe converteu cada fóton para a banda de telecomunicações (cerca de 1550 nm) — o mesmo comprimento de onda usado em comunicações de fibra óptica padrão — para que o sinal pudesse viajar centenas de quilômetros sem ser absorvido .

Estabilização ativa. Em 420 km de fibra, mudanças de temperatura, vibrações e outros efeitos mecânicos podem destruir a relação de fase necessária para a interferência de fóton único. A equipe implantou um sistema de estabilização que compensava continuamente essas flutuações, preservando a coerência em todo o enlace .

Interferência de fóton único. A medição central que cria o entrelaçamento acontece no nó central, onde os fótons de Alice e Bob interferem. Conseguir uma interferência estável com fótons únicos em uma distância tão longa foi um grande desafio técnico que a equipe resolveu com sucesso .

Quebrando o limite PLOB

Talvez a descoberta mais significativa seja que o experimento superou o limite PLOB — a taxa máxima teórica na qual o entrelaçamento pode ser distribuído por um canal com perdas sem repetidores quânticos . A probabilidade de entrelaçamento memória-memória medida excedeu esse limite em distâncias além de aproximadamente 230 km, e a vantagem continuou a crescer à medida que o comprimento da fibra aumentava até os 420 km . Como observou um relatório, esta é a primeira demonstração baseada em memória a ultrapassar esse teto fundamental .

A equipe também demonstrou que seu esquema assistido por memória supera a distribuição de entrelaçamento direto por fibra além de cerca de 320 km . Isso acontece porque a abordagem baseada em memória escala com a raiz quadrada da transmitância do canal, enquanto a transmissão direta escala linearmente com a transmitância — uma diferença fundamental que dá às memórias vantagem em longas distâncias .

Por que isso é importante para a internet quântica

Muda a escala de metropolitana para interestadual. Os recordes anteriores de entrelaçamento matéria-matéria em fibra estavam na faixa de 50 a 100 km, cobrindo uma área metropolitana típica . Aos 420 km, o experimento cruza para distâncias que conectam cidades. Como escrevem os autores, "Nosso experimento fornece uma plataforma de testes para estudar aplicações de redes quânticas além da escala de uma única cidade" .

Valida as redes quânticas assistidas por memória. O resultado prova que as memórias quânticas podem armazenar e anunciar entrelaçamento em distâncias práticas de fibra, superando ao mesmo tempo o limite sem repetidores . Esta é uma pré-condição necessária para a construção de repetidores quânticos escaláveis e, em última análise, de uma internet quântica completa .

Alinha-se com a infraestrutura de telecomunicações existente. Os componentes-chave — conversão de comprimento de onda para a banda de telecomunicações, estabilização ativa de fibra e memórias de átomos frios — são todos compatíveis com equipamentos de fibra óptica padrão . Isso sugere um caminho de atualização realista das atuais redes de distribuição quântica de chaves (QKD) para uma futura internet quântica com distribuição de entrelaçamento de longa distância habilitada por memória.

Principais ressalvas

Embora a conquista técnica seja genuína, é importante notar que esta foi uma demonstração de laboratório. O experimento usou fibra em bobinas em um ambiente controlado, e não um enlace implantado em campo . A fibra incluía um pequeno segmento de campo que ia do laboratório da universidade a um nó de medição no Parque de Software de Hefei, mas a maior parte da distância era em bobinas . A implantação no mundo real exigirá a solução de desafios adicionais de engenharia, incluindo a estabilidade da fibra em campo, a integração com hardware de comutação e roteamento e a expansão para múltiplos nós interconectados .