Teleportação Quântica – Fato ou Ficção?

Usando Fibra Óptica para Teleportação Quântica

A comunicação digital global depende da transferência rápida e eficiente de dados à velocidade da luz por meio de uma complexa rede de fibras ópticas. Isso é aceitável para computação clássica, que usa strings binárias de 0 e 1.

No entanto, à medida que a computação quântica se torna cada vez mais próxima de ser uma ferramenta comumente usada para criptografia, pesquisa científica e outras aplicações, surge a questão de como transferir dados quânticos de um computador quântico para outro.

Por um longo tempo, isso foi considerado quase impossível. Cada computador quântico estava destinado a trabalhar em isolamento dos outros, reduzindo seu potencial.

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

Então, isso é uma etapa importante que os pesquisadores da Northwestern University, Ciena Corporation e NuCrypt LCC descobriram: o estado quântico pode ser preservado e transferido em fibra óptica ao lado de um “fluxo de dados normal”.

Eles publicaram seus resultados em Optica, intitulado “Teleportação quântica coexistindo com comunicações clássicas em fibra óptica¹”.

Teleportação Quântica

Embora soe como um conceito fantasioso de um filme de ficção científica, a teleportação quântica é um fenômeno real estudado por décadas.

Isso acontece quando 2 partículas diferentes são “emparelhadas/unidas”, algo chamado de emaranhamento quântico.

Nesse caso, quando duas partículas estão ligadas, independentemente da distância entre elas, elas trocam informações sobre grandes distâncias — sem fisicamente carregá-las. Em alguns casos, pode ser possível que a troca de informações aconteça mais rápido do que a velocidade da luz, algo teoricamente impossível.

Como funciona e o que significa para o aspecto fundamental da nossa realidade ainda é amplamente debatido por físicos quânticos. No entanto, sabemos que isso é um efeito quântico muito real e mensurável, que poderia permitir comunicações perfeitamente seguras e instantâneas.

Comunicações Radicalmente Diferentes

Uma Agulha em um Palheiro em Movimento

Até agora, supunha-se que nenhum estado quântico poderia ser transferido por fibra óptica, pois qualquer fóton entrelaçado individual seria atraído pelos bilhões de fótons que viajam com ele e perderia seu estado quântico único.

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

O fóton em si não precisa ser enviado sobre longas distâncias, mas seu estado ainda acaba codificado no fóton distante. A teleportação permite a troca de informações sobre grandes distâncias sem exigir que as informações em si viajem essa distância.”

Jordan Thomas – Ph.D. na Northwestern University.

A chave foi medir se não havia alguma condição específica na fibra óptica que não perturbaria o emaranhamento quântico.

Após conduzir estudos aprofundados de como a luz se espalha dentro de cabos de fibra óptica, os pesquisadores encontraram um comprimento de onda de luz menos congestionado para colocar seus fótons, os canais quânticos de 1290 nm. Em seguida, eles adicionaram filtros especiais para reduzir o ruído do tráfego de Internet regular.

Claro, embora isso soe fácil, o setup experimental real foi tudo, menos simples, com o artigo científico publicado nos dando uma visão de quão complexo foi todo o experimento:

Fonte: Optica

Novas Telecomunicações

À medida que a transferência de fibra óptica transfere fótons do ponto A para o ponto B, já era conhecido que eles podiam carregar um estado quântico neles. Mas essa é a primeira vez que foi demonstrado que isso pode acontecer ao mesmo tempo em que outros dados não quânticos são transferidos.

Isso significa que um processo de transferência de informações muito diferente está ocorrendo, um que depende de um fóton de cada vez em vez dos usuais milhões de fótons.

“Na comunicação óptica, todos os sinais são convertidos em luz. Enquanto sinais convencionais para comunicações clássicas normalmente consistem em milhões de partículas de luz, a informação quântica usa fótons únicos.”

Pr Prem Kumar – Diretor do Centro de Comunicação e Computação Fotônica da Northwestern University

De Protótipo Inicial a AmBições Maiores

Mais Fibra Óptica

O primeiro teste foi realizado em uma fibra óptica de 30 km de comprimento (18,6 milhas), com tráfego de Internet de alta velocidade passando por ela.

A próxima etapa para os pesquisadores será experimentar com distâncias muito maiores, para ver até onde eles poderiam impulsionar esse novo método de comunicação à distância.

Isso foi realizado até agora com fibra óptica de laboratório. Outro conjunto de testes experimentará com cabos ópticos subterrâneos reais e verá como bem eles funcionam com a rede global pré-existente de fibra óptica de Internet.

Expandindo Aplicações Quânticas

Outra parte da investigação em andamento será usar dois pares de fótons entrelaçados, em vez de um par. Isso verificará o que está acontecendo com outro fenômeno quântico chamado de troca de emaranhamento.

A troca de emaranhamento é um protocolo para transferir emaranhamento quântico de um par de partículas para outro, mesmo que o segundo par de partículas nunca tenha interagido.

Isso é uma ferramenta extra importante para aplicações de telecomunicações quânticas potenciais, pois permitiria a criação de redes quânticas distribuídas. Essas redes podem suportar a transferência segura de informações quânticas sobre rotas longas.

“A teleportação quântica tem a capacidade de fornecer conectividade quântica segura entre nós geograficamente distantes. Mas muitas pessoas sempre assumiram que ninguém construiria infraestrutura especializada para enviar partículas de luz.

Se escolhermos as frequências corretamente, não precisaremos construir nova infraestrutura. Comunicações clássicas e comunicações quânticas podem coexistir.”

Pr Prem Kumar – Diretor do Centro de Comunicação e Computação Fotônica da Northwestern University

Isso seria um grande passo na criptografia alimentada por quantum, pois, ao utilizar emaranhamentos trocados entre pares de partículas, é possível gerar chaves de criptografia seguras que devem ser protegidas contra interceptação.

Outro efeito seria permitir a transferência de estados quânticos a distâncias ultra-longas, por meio de um método chamado repetidores quânticos. Ao realizar a troca de emaranhamento regularmente, poderia “refrescar” o estado quântico e evitar qualquer perda de dados sobre longas distâncias.

Investindo em Computação Quântica

A computação quântica ainda é um campo emergente, mas os investidores já podem acessá-la por meio de empresas que a estão desenvolvendo.

Você pode investir em empresas relacionadas à computação quântica por meio de muitos corretores e pode encontrar aqui, no securities.io, nossas recomendações para os melhores corretores nos EU, Canadá, Austrália, Reino Unido, além de muitos outros países.

Se você não estiver interessado em escolher empresas específicas de computação quântica, também pode olhar para ETFs de computação quântica, como Defiance Quantum ETF (QTUM), que fornecerá uma exposição mais diversificada para capitalizar na indústria de computação quântica.

Você pode aprender mais sobre computação quântica em “O Estado Atual da Computação Quântica” e as maiores empresas do setor em “5 Melhores Empresas de Computação Quântica” e “10 Principais Empresas de Computação Não de Silício”.

Empresa de Computação Quântica

1. Alphabet Inc.

O Google está muito ativo na computação quântica, principalmente por meio de seu laboratório de IA Quântica do Google e campus de IA Quântica em Santa Bárbara.

O computador quântico do Google fez história em 2019, quando alegou ter alcançado a “supremacia quântica” com sua máquina Sycamore. A máquina realizou um cálculo em 200 segundos que teria levado um supercomputador convencional 10.000 anos.

Isso agora é ultrapassado por seu novo desempenho do chip, chamado Willow. Esse é o primeiro chip de computação quântica com uma taxa de erro baixa o suficiente, de modo que, quanto mais qubits você adiciona, menos erro você obtém. Isso o torna o primeiro design de chip quântico escalável.

Mas talvez a maior contribuição do Google seja no software, uma atividade em que ele tem um registro impressionante (busca, GSuit, Android, etc.).

Já o Quantum AI do Google disponibiliza uma suíte de software projetada para ajudar cientistas a desenvolver algoritmos quânticos.

Ele também defende abertamente que “pesquisadores, engenheiros e desenvolvedores se juntem a nós nessa jornada, verificando nosso software de código aberto e recursos educacionais, incluindo nosso curso novo no Coursera, onde os desenvolvedores podem aprender os fundamentos da correção de erros quânticos e nos ajudar a criar algoritmos que possam resolver os problemas do futuro.”

Graças a essa abordagem aberta, o Google agora lidera em hardware, bem como em soluções de nuvem. O Google pode ser uma das empresas que estabelecerão os padrões de software e programação de computação quântica, dando-lhe uma posição privilegiada para direcionar a evolução futura do campo.

Enquanto isso, as soluções de IA, incluindo o carro autônomo da Waymo, podem se tornar o novo motor de receita para o Alphabet, que ainda mantém uma posição massivamente dominante nas indústrias de busca e anúncios.

Você pode aprender mais sobre as atividades não relacionadas à computação quântica do Google, especialmente anúncios e IA, em nosso relatório dedicado de dezembro de 2024.

2. Ciena Corporation

Um parceiro no projeto de pesquisa que demonstrou a teleportação quântica em fibra óptica, a Ciena Corporation é uma líder global em sistemas ópticos e de roteamento, serviços e software de automação.

A Ciena é, de longe, a maior empresa fora da China no mercado óptico, controlando mais de 25% do mercado. Ela está presente em 70 países.

Fonte: Ciena Corporation

A empresa vê a demanda por largura de banda explodir nos próximos 4 anos, impulsionada pela demanda de aplicações de IA.

Fonte: Ciena Corporation

Isso levou a empresa a usar sua forte posição em redes ópticas para expandir para novos mercados relevantes para o boom de IA, notadamente devido a muitas aplicações de IA requerendo novos centros de dados localizados, devido a leis sobre privacidade e fluxo de dados transfronteiriços, bem como o surgimento de centros de dados desagregados, requerendo mais capacidade de rede óptica.

Fonte: Ciena Corporation

Se as redes de fibra óptica existentes provarem ser úteis para transmitir dados quânticos, isso poderia provar um novo setor em alta para a indústria de redes ópticas. Isso tornaria o futuro do setor ainda mais promissor, pois a computação quântica poderia dar um grande impulso após a demanda já explodindo de aplicações de IA.

Referência de Estudo:

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