Teletransporte quântico: fato ou ficção?

Usando Fibra Óptica para Teletransporte Quântico

A comunicação digital global depende da transferência rápida e eficiente de dados à velocidade da luz por uma rede complexa de fibras ópticas. Isso atende à computação clássica, que utiliza sequências binárias de 0 e 1.

No entanto, à medida que a computação quântica se aproxima cada vez mais de se tornar uma ferramenta de uso comum para criptografia, pesquisa científica e outras aplicações, surge a questão de como transferir dados quânticos de um computador quântico para outro.

Por muito tempo, acreditou‑se que isso era quase impossível. Cada computador quântico estava destinado a operar isoladamente, reduzindo seu potencial.

Isso está se tornando rapidamente um problema importante a ser resolvido para a indústria de tecnologia, especialmente porque novos designs escaláveis de chips quânticos foram recém revelados.

Portanto, este é um passo importante que pesquisadores da Northwestern University, Ciena Corporation (CIEN ) e NuCrypt LLC descobriram: o estado quântico pode ser preservado e transferido em fibra óptica ao lado de um fluxo de dados “normal”.

Eles publicaram os resultados na revista Optica em um artigo intitulado “Teletransporte quântico coexistindo com comunicações clássicas em fibra óptica¹”.

Teletransporte Quântico

Embora pareça um conceito fantasioso de um filme de ficção científica, o teletransporte quântico é um fenômeno real estudado há décadas.

Isso acontece quando 2 partículas diferentes são “pareadas/vinculadas” juntas, algo chamado emaranhamento quântico.

Quando duas partículas estão emaranhadas, seus estados quânticos permanecem correlacionados independentemente da distância. Essa correlação, porém, não permite transmitir informações em velocidade superior à da luz.

Seu funcionamento e suas implicações para os aspectos fundamentais da realidade ainda são intensamente debatidos pelos físicos quânticos. Ainda assim, trata-se de um efeito quântico real e mensurável, com potencial para permitir comunicações extremamente seguras e praticamente instantâneas.

Comunicações Radicalmente Diferentes

Um único fóton entre bilhões

Até agora, presumia-se que nenhum estado quântico pudesse ser transferido por fibra óptica, pois um único fóton emaranhado ficaria perdido entre os bilhões de outros fótons que viajavam com ele e perderia seu estado quântico exclusivo.

“Ao realizar uma medição destrutiva em dois fótons — um carregando um estado quântico e outro emaranhado com outro fóton — o estado quântico é transferido para o fóton restante, que pode estar muito distante.

O próprio fóton não precisa ser enviado por longas distâncias, mas seu estado ainda acaba codificado no fóton distante. O teletransporte permite a troca de informação por grandes distâncias sem exigir que a própria informação viaje essa distância.”

Jordan Thomas — doutorando na Northwestern University

O ponto decisivo foi verificar se existia alguma condição específica na fibra óptica que não perturbasse o emaranhamento quântico.

Após estudar detalhadamente como a luz se dispersa nos cabos de fibra óptica, os pesquisadores identificaram um comprimento de onda menos congestionado para os fótons: o canal quântico de 1.290 nm. Em seguida, adicionaram filtros especiais para reduzir o ruído do tráfego comum da Internet.

Embora pareça simples, a configuração experimental estava longe disso. O artigo científico publicado mostra o grau de complexidade de todo o experimento.

Fonte: Optica

Novas Telecomunicações

Como a fibra óptica transfere fótons do ponto A ao ponto B, já se sabia que eles podiam transportar um estado quântico. Esta é, porém, a primeira demonstração de que isso pode ocorrer ao mesmo tempo que dados convencionais, não quânticos, também são transmitidos.

Isso significa que ocorre um processo de transferência de informação muito diferente, baseado em um único fóton por vez, em vez dos milhões de fótons normalmente utilizados.

“Nas comunicações ópticas, todos os sinais são convertidos em luz. Enquanto os sinais convencionais para comunicações clássicas tipicamente compreendem milhões de partículas de luz, a informação quântica usa fótons individuais.”

Professor Prem Kumar — diretor do Centro de Comunicação Fotônica e Computação da Northwestern University

Do Protótipo Inicial a Ambições Maiores

Mais Fibra Óptica

O primeiro teste foi realizado em uma fibra óptica de 30 km (18,6 milhas), pela qual trafegavam dados de Internet de alta velocidade.

O próximo passo será realizar experimentos em distâncias muito maiores para determinar até onde esse novo método de comunicação remota pode chegar.

Até agora, os testes usaram apenas fibras ópticas de laboratório. Uma nova série de experimentos utilizará cabos ópticos subterrâneos reais para avaliar seu desempenho na rede mundial de fibras da Internet já existente.

Expandindo Aplicações Quânticas

Outra etapa da pesquisa utilizará dois pares de fótons emaranhados, em vez de apenas um, para analisar outro fenômeno quântico chamado troca de emaranhamento.

A troca de emaranhamento é um protocolo que transfere o emaranhamento quântico de um par de partículas para outro, mesmo quando as partículas do segundo par nunca interagiram entre si.

Essa é uma ferramenta adicional importante para futuras telecomunicações quânticas, pois pode viabilizar aplicações quânticas distribuídas, como redes quânticas. Essas redes poderão transmitir informações quânticas com segurança por trajetos longos.

“O teletransporte quântico tem a capacidade de fornecer conectividade quântica segura entre nós geograficamente distantes. Mas muitas pessoas assumiram por muito tempo que ninguém construiria infraestrutura especializada para enviar partículas de luz.

Se escolhermos os comprimentos de onda adequadamente, não precisaremos construir nova infraestrutura. Comunicações clássicas e comunicações quânticas podem coexistir.”

Professor Prem Kumar — diretor do Centro de Comunicação Fotônica e Computação da Northwestern University

Isso representaria um grande avanço para a criptografia quântica, pois o uso do emaranhamento trocado entre pares de partículas permite gerar chaves criptográficas seguras e protegidas contra interceptação.

Outro efeito seria permitir a transferência de estados quânticos a distâncias muito grandes por meio dos chamados repetidores quânticos. A realização periódica da troca de emaranhamento poderia “renovar” o estado quântico e evitar a perda de dados em longas distâncias.

Investindo em Computação Quântica

A computação quântica ainda é um campo emergente, mas os investidores já podem obter exposição ao setor por meio das empresas que desenvolvem essa tecnologia.

É possível investir em empresas ligadas à tecnologia quântica por meio de diversas corretoras. Na securities.io, você encontra nossas recomendações das melhores corretoras nos Estados Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, e em muitos outros países.

Se não quiser selecionar empresas específicas de computação quântica, você também pode considerar ETFs do setor, como o Defiance Quantum ETF (QTUM), que oferece uma exposição mais diversificada ao crescimento da indústria de computação quântica.

Saiba mais sobre computação quântica em “O estado atual da computação quântica” e conheça as maiores empresas do setor em “As 5 melhores empresas de computação quântica” e “As 10 maiores empresas de computação sem silício”.

Empresa de Computação Quântica

1. Alphabet Inc.

O Google atua intensamente em computação quântica, principalmente por meio do laboratório Google Quantum AI e do campus Quantum AI em Santa Bárbara.

O computador quântico do Google fez história em 2019, quando a empresa afirmou ter alcançado a “supremacia quântica” com a máquina Sycamore. Ela realizou em 200 segundos um cálculo que levaria 10 mil anos em um supercomputador convencional.

Esse resultado foi amplamente superado pelo desempenho do novo chip Willow. Trata-se do primeiro chip de computação quântica com uma taxa de erros suficientemente baixa para que a adição de mais qubits reduza os erros, tornando-o o primeiro projeto escalável de chip quântico.

Talvez a maior contribuição do Google esteja no software, área em que possui um histórico impressionante e superior ao de hardware, com produtos como Busca, Google Workspace e Android.

O Google Quantum AI já oferece um conjunto de softwares desenvolvido para auxiliar cientistas na criação de algoritmos quânticos.

A empresa também convida abertamente “pesquisadores, engenheiros e desenvolvedores a participar dessa jornada, consultando nosso software de código aberto e nossos recursos educacionais, incluindo o novo curso na Coursera, no qual os desenvolvedores podem aprender os fundamentos da correção de erros quânticos e nos ajudar a criar algoritmos capazes de resolver os problemas do futuro.”

Graças a essa abordagem aberta, o Google ocupa uma posição de liderança tanto em hardware quanto em soluções de nuvem. A empresa pode ajudar a definir os padrões de software e programação quântica, o que lhe confere uma posição privilegiada para orientar a evolução futura do setor.

Enquanto isso, soluções de IA, incluindo os veículos autônomos da Waymo, podem se tornar uma nova fonte de receita para a Alphabet (GOOG ), que ainda mantém uma posição amplamente dominante nos mercados de busca e publicidade.

Saiba mais sobre as atividades não quânticas do Google, especialmente publicidade e IA, em nosso relatório especial de dezembro de 2024.

2. Ciena Corporation

A Ciena Corporation, parceira do projeto de pesquisa que demonstrou o teletransporte quântico em fibra óptica, é líder mundial em sistemas ópticos e de roteamento, serviços e software de automação.

A Ciena é, com ampla vantagem, a maior empresa do mercado óptico fora da China, controlando mais de 25% do setor. Está presente em 70 países.

Fonte: Ciena Corporation

A empresa prevê uma forte expansão da demanda por largura de banda nos próximos quatro anos, impulsionada pelas aplicações de IA.

Fonte: Ciena Corporation

Isso levou a empresa a usar sua forte posição em redes ópticas para entrar em novos mercados ligados ao avanço da IA. Muitas aplicações de IA exigem novos data centers locais por causa das leis de privacidade e de fluxo internacional de dados. Além disso, o surgimento de data centers desagregados exige maior capacidade de rede óptica.

Fonte: Ciena Corporation

Se as redes de fibra óptica existentes puderem transmitir dados quânticos, um novo mercado de rápido crescimento poderá surgir para a indústria de redes ópticas. O futuro do setor se tornaria ainda mais promissor, pois a computação quântica poderia ampliar fortemente uma demanda que já cresce com as aplicações de IA.

Referência do Estudo:

^{1. Thomas, J. M., Yeh, F. I., Chen, J. H., Mambretti, J. J., Kohlert, S. J., Kanter, G. S., & Kumar, P. (2024). Teletransporte quântico coexistindo com comunicações clássicas em fibra óptica. Optica, 11(12), 1700–1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700}