A pequena “Q-chip” da equipe da Penn coordena dados quânticos e clássicos e, crucialmente, fala a mesma linguagem da web moderna. Essa abordagem pode abrir caminho para um futuro “internet quântica”, que os cientistas acreditam que pode um dia ser tão transformadora quanto o surgimento da era online.

Os sinais quânticos dependem de pares de partículas “entrelaçadas”, tão intimamente ligadas que alterar uma delas afeta instantaneamente a outra. Aproveitar essa propriedade poderia permitir que computadores quânticos se conectassem e compartilhassem seu poder de processamento, possibilitando avanços como IA mais rápida e eficiente em termos de energia, ou o design de novos medicamentos e materiais além do alcance dos supercomputadores atuais.

O trabalho da Penn mostra, pela primeira vez em fibra comercial ao vivo, que um chip pode não apenas enviar sinais quânticos, mas também corrigir automaticamente o ruído, agrupar dados quânticos e clássicos em pacotes padronizados no estilo da internet e roteá-los usando o mesmo sistema de endereçamento e ferramentas de gerenciamento que conectam dispositivos comuns online.

“Ao demonstrar que um chip integrado pode gerenciar sinais quânticos em uma rede comercial ao vivo como a da Verizon, e fazê-lo usando os mesmos protocolos que operam na internet clássica, fizemos um passo importante em direção a experimentos em larga escala e uma internet quântica prática”, diz Liang Feng, Professor de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) e de Engenharia Elétrica e de Sistemas (ESE), e o autor sênior do artigo na Science.

Os Desafios de Escalar a Internet Quântica

Erwin Schrodinger, que cunhou o termo “entrelaçamento quântico”, relacionou famosa e ludicamente o conceito a um gato escondido em uma caixa. Se a tampa estiver fechada, e a caixa também contiver material radioativo, o gato pode estar vivo ou morto. Uma forma de interpretar a situação é que o gato está tanto vivo quanto morto. Somente abrir a caixa confirma o estado do gato.

Essa paradoxal situação é aproximadamente análoga à natureza única das partículas quânticas. Uma vez medidas, elas perdem suas propriedades peculiares, o que torna a escalabilidade de uma rede quântica extremamente difícil.

“As redes normais medem os dados para direcioná-los ao destino final”, diz Robert Broberg, um doutorando em ESE e coautor do artigo. “Com redes puramente quânticas, você não pode fazer isso, porque medir as partículas destrói o estado quântico.”

Coordenando Sinais Clássicos e Quânticos

Para contornar esse obstáculo, a equipe desenvolveu o “Q-Chip” (abreviação de “Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics”) para coordenar sinais “clássicos”, compostos de fluxos normais de luz, e partículas quânticas. “O sinal clássico viaja um pouco à frente do sinal quântico”, diz Yichi Zhang, um doutorando em MSE e o primeiro autor do artigo. “Isso nos permite medir o sinal clássico para roteamento, enquanto deixamos o sinal quântico intacto.”

Em essência, o novo sistema funciona como uma ferrovia, pareando locomotivas de luz regulares com carga quântica. “O ‘cabeçalho’ clássico age como o motor do trem, enquanto a informação quântica viaja atrás em contêineres selados”, diz Zhang. “Você não pode abrir os contêineres sem destruir o que está dentro, mas o motor garante que todo o trem chegue aonde precisa ir.”

Como o cabeçalho clássico pode ser medido, todo o sistema pode seguir o mesmo “IP” ou “Protocolo de Internet” que governa o tráfego atual da internet. “Ao embeber informações quânticas na estrutura IP familiar, mostramos que uma internet quântica poderia literalmente falar a mesma linguagem que a clássica”, afirma Zhang. “Essa compatibilidade é crucial para escalar usando a infraestrutura existente.”

Adaptando a Tecnologia Quântica ao Mundo Real

Um dos maiores desafios para transmitir partículas quânticas em infraestrutura comercial é a variabilidade das linhas de transmissão do mundo real. Ao contrário dos ambientes laboratoriais, que podem manter condições ideais, redes comerciais frequentemente encontram mudanças de temperatura, devido ao clima, bem como vibrações decorrentes de atividades humanas como construção e transporte, sem mencionar a atividade sísmica.

Para contrabalançar isso, os pesquisadores desenvolveram um método de correção de erros que aproveita o fato de que a interferência no cabeçalho clássico afetará o sinal quântico de maneira semelhante. “Porque podemos medir o sinal clássico sem danificar o quântico”, diz Feng, “podemos inferir quais correções precisam ser feitas no sinal quântico sem nunca medí-lo, preservando o estado quântico.”

Nos testes, o sistema manteve fidelidades de transmissão acima de 97%, mostrando que poderia superar o ruído e a instabilidade que geralmente destroem sinais quânticos fora do laboratório. E, como o chip é feito de silício e fabricado usando técnicas estabelecidas, pode ser produzido em massa, tornando a nova abordagem fácil de escalar.

“Nossa rede tem apenas um servidor e um nó, conectando dois edifícios, com cerca de um quilômetro de cabo de fibra óptica instalado pela Verizon entre eles”, diz Feng. “Mas tudo o que você precisa fazer para expandir a rede é fabricar mais chips e conectá-los às linhas de fibra óptica existentes na Filadélfia.”

O Futuro da Internet Quântica

A principal barreira para escalar redes quânticas além de uma área metropolitana é que os sinais quânticos ainda não podem ser amplificados sem destruir seu entrelaçamento.

Enquanto algumas equipes demonstraram que “chaves quânticas”, códigos especiais para comunicação ultra-segura, podem viajar longas distâncias através de fibra convencional, esses sistemas utilizam luz coerente fraca para gerar números aleatórios que não podem ser copiados, uma técnica que é altamente eficaz para aplicações de segurança, mas não suficiente para conectar processadores quânticos reais.

Superar esse desafio exigirá novos dispositivos, mas o estudo da Penn fornece um passo inicial importante: demonstrar como um chip pode operar sinais quânticos sobre fibra comercial existente usando roteamento de pacotes no estilo de internet, comutação dinâmica e mitigação de erros em chip que funcionam com os mesmos protocolos que gerenciam as redes de hoje.

“Isso parece como os primeiros dias da internet clássica nos anos 90, quando universidades começaram a conectar suas redes”, diz Broberg. “Isso abriu a porta para transformações que ninguém poderia ter previsto. Uma internet quântica tem o mesmo potencial.”

Este estudo foi realizado na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia e foi apoiado pela Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF12960 e DOI 10.37807), Escritório de Pesquisa Naval (N00014-23-1-2882), National Science Foundation (DMR-2323468), Cátedra de Professores Doados Olga e Alberico Pompa, e prêmio PSC-CUNY (ENHC-54-93).

Co-autores adicionais incluem Alan Zhu, Gushi Li e Jonathan Smith da Universidade da Pensilvânia, e Li Ge da City University of New York.