Até recentemente, dois computadores quânticos só podiam se conectar através de um cabo de fibra ao longo de alguns quilômetros. Essa limitação significava que um sistema no campus South Side da Universidade de Chicago não podia se comunicar com um no Willis Tower, mesmo que ambos estejam localizados na mesma cidade. A distância era simplesmente longa demais para a tecnologia atual.

Um novo estudo publicado em 6 de novembro na Nature Communications pelo Prof. Assistente Tian Zhong, da Escola de Engenharia Molecular Pritzker da Universidade de Chicago (UChicago PME), sugere que essa barreira pode ser dramaticamente aumentada. O trabalho de sua equipe indica que conexões quânticas poderiam, em teoria, se estender até 2.000 km (1.243 milhas).

Com esse método, o computador quântico da UChicago que antes lutava para alcançar o Willis Tower poderia, em vez disso, se conectar com um dispositivo localizado fora de Salt Lake City, Utah.

“Pela primeira vez, a tecnologia para construir uma internet quântica em escala global está ao nosso alcance,” disse Zhong, que recentemente recebeu o prestigioso Prêmio Sturge por essa pesquisa.

Por que a Coerência Quântica é Importante

Para criar redes quânticas de alto desempenho, os pesquisadores precisam entrelaçar átomos e manter esse entrelaçamento enquanto os sinais viajam através de cabos de fibra. Quanto maior o tempo de coerência desses átomos entrelaçados, mais distantes os computadores quânticos conectados podem estar.

No novo estudo, a equipe de Zhong conseguiu aumentar o tempo de coerência de átomos de erbium de 0,1 milissegundos para mais de 10 milissegundos. Em um experimento, eles conseguiram 24 milissegundos de coerência. Em condições ideais, essa melhoria poderia permitir a comunicação entre computadores quânticos separados por cerca de 4.000 km, a distância entre a UChicago PME e Ocaña, na Colômbia.

Construindo os Mesmos Materiais de uma Nova Forma

A equipe não trocou de materiais desconhecidos ou exóticos. Em vez disso, eles repensaram como os materiais eram construídos. Eles produziram os cristais dopados com terras raras necessários para o entrelaçamento quântico usando um método chamado epitaxia por feixe molecular (MBE), em vez do método padrão de Czochralski.

“A maneira tradicional de fabricar este material é essencialmente um caldeirão,” disse Zhong, referindo-se à abordagem Czochralski. “Você joga na proporção certa de ingredientes e depois derrete tudo. Vai acima de 2.000 graus Celsius e é resfriado lentamente para formar um cristal de material.”

Depois, os pesquisadores esculpem quimicamente o cristal resfriado para moldá-lo em um componente utilizável. Zhong compara isso a um escultor talhando mármore até que a forma final emerge.

O MBE se baseia em uma ideia muito diferente. Ele se assemelha à impressão 3D, mas em escala atômica. O processo deposita o cristal em camadas extremamente finas, formando eventualmente a estrutura exata necessária para o dispositivo.

“Nós começamos do nada e então montamos este dispositivo átomo por átomo,” disse Zhong. “A qualidade ou pureza deste material é tão alta que as propriedades de coerência quântica desses átomos se tornam superb.”

Embora o MBE tenha sido usado em outras áreas da ciência dos materiais, ele ainda não havia sido aplicado a esse tipo de material dopado com terras raras. Para este projeto, Zhong colaborou com o Prof. Assistente Shuolong Yang, especialista em síntese de materiais da UChicago PME, para adaptar o MBE às suas necessidades.

O Prof. Dr. Hugues de Riedmatten, do Instituto de Ciências Fotônicas, que não fez parte do estudo, descreveu os resultados como um passo importante. “A abordagem demonstrada neste artigo é altamente inovadora,” disse ele. “Ela mostra que uma abordagem de nanofabricação bem controlada de baixo para cima pode levar à realização de qubits individuais de íons de terras raras com excelentes propriedades de coerência óptica e de spin, levando a uma interface spin-fóton de longa duração com emissão em comprimento de onda de telecomunicações, tudo em uma arquitetura de dispositivo compatível com fibra. Este é um avanço significativo que oferece uma avenida escalável interessante para a produção de muitos qubits conectáveis de uma maneira controlada.”

Preparando para Testes no Mundo Real

A próxima fase do projeto é determinar se os tempos de coerência melhorados podem, de fato, suportar a comunicação quântica de longa distância fora dos modelos teóricos.

“Antes de realmente implantar fibra de, digamos, Chicago para Nova York, vamos testá-la apenas dentro do meu laboratório,” disse Zhong.

A equipe planeja conectar dois qubits alojados em refrigeradores de diluição separados (“fridges”) dentro do laboratório de Zhong usando 1.000 quilômetros de fibra enrolada. Essa etapa os ajudará a verificar se o sistema se comporta como esperado antes de passar para escalas maiores.

“Estamos agora construindo o terceiro refrigerador em meu laboratório. Quando estiver tudo junto, isso formará uma rede local, e primeiro faremos experimentos localmente em meu laboratório para simular como uma futura rede de longa distância se parecerá,” disse Zhong. “Isso faz parte do grande objetivo de criar uma verdadeira internet quântica, e estamos alcançando mais um marco rumo a isso.”