Experimental zero-added-loss multiplexing Bell-pair source for long-haul quantum networks
Este artigo demonstra uma realização experimental escalável de multiplexação de perda zero adicionada (ZALM) para redes quânticas de longa distância ao alcançar a troca de emaranhamento de alta fidelidade através de 16 modos de frequência paralelos e uma taxa de repetição de bomba de 3,0 GHz, resultando em uma taxa total de troca de 5,38 pares por segundo e uma taxa projetada de pares de Bell de ZALM de 820 pares por segundo.
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O sonho de uma internet quântica promete um futuro onde a informação viaja com segurança absoluta e computadores resolvem problemas que são atualmente impossíveis. Para tornar essa visão realidade, cientistas devem construir redes que possam enviar estados quânticos delicados, conhecidos como pares emaranhados, através de longas distâncias sem perder sua conexão especial. O maior obstáculo é que esses sinais quânticos desaparecem à medida que viajam através de cabos de fibra óptica, de forma muito semelhante a um sussurro morrendo em um grande salão. Para superar isso, pesquisadores estão desenvolvendo dispositivos chamados repetidores quânticos. Esses repetidores atuam como estações de retransmissão, capturando um sinal que está desaparecendo, refrescando-o e passando-o adiante. No entanto, para que um repetidor funcione rápido o suficiente para ser útil, ele precisa processar muitos sinais ao mesmo tempo. Um grande desafio tem sido descobrir como lidar com esses sinais sem introduzir erros ou perder a própria informação que os torna valiosos.
Uma equipe de pesquisadores deu agora um passo significativo em direção à solução deste problema ao demonstrar uma nova maneira de criar e gerenciar esses sinais quânticos. Eles construíram com sucesso uma fonte que pode gerar pares emaranhados de partículas de luz, chamadas fótons, através de dezesseis canais de cores diferentes simultaneamente. Em seu experimento, eles conseguiram trocar o emaranhamento entre esses dezesseis fluxos paralelos de luz com uma taxa de sucesso média de 93,9 por cento. Isso significa que a delicada conexão quântica foi preservada com alta precisão em todos os canais. Ao combinar essa capacidade de lidar com muitas cores ao mesmo tempo com uma taxa de pulso muito rápida de 3,0 bilhões de vezes por segundo, eles alcançaram uma taxa de geração total de 5,38 pares por segundo. Ao considerar a eficiência do sistema deles, isso se traduz em uma saída potencial de 820 pares por segundo, um número que representa um novo nível de desempenho para este tipo de tecnologia.
A essência de sua conquista reside em um método chamado multiplexação de perda zero adicionada. Imagine tentar enviar uma mensagem através de uma sala lotada onde você só pode falar uma palavra de cada vez; você seria muito lento. A multiplexação é como dar a si mesmo dezesseis vozes diferentes para falar ao mesmo tempo, permitindo que você envie muito mais informação no mesmo período de tempo. No mundo da luz, essas "vozes" são cores diferentes, ou frequências. Os pesquisadores usaram equipamentos padrão, especificamente filtros que separam a luz em canais espaçados 50 gigahertz entre si, para gerenciar dezesseis desses fluxos de cores. Eles moldaram cuidadosamente os pulsos de laser usados para criar as partículas de luz para que cada canal de cor permanecesse puro e distinto, evitando a confusão que geralmente acontece ao tentar agrupar tantos sinais. Essa precisão permitiu que realizassem uma operação complexa chamada troca de emaranhamento, onde dois pares separados de partículas são ligados para formar uma nova conexão, mais longa, tudo isso mantendo os dezesseis canais funcionando em paralelo.
Para garantir que o sistema funcionasse corretamente, a equipe teve que superar um desafio específico de tempo. Como estavam enviando pulsos tão rapidamente, a lacuna entre eles era incrivelmente pequena. Se os detectores usados para capturar as partículas fossem muito lentos ou imprecisos, eles confundiriam uma partícula de um pulso com uma partícula do próximo, arruinando o experimento. Os pesquisadores usaram detectores altamente sensíveis que podiam distinguir o tempo de chegada de uma partícula com uma precisão de 39 picossegundos. Essa velocidade foi rápida o suficiente para separar claramente os pulsos, que chegavam a cada 333 picossegundos, garantindo que a informação quântica permanecesse limpa e não corrompida. O resultado foi um sistema onde as partículas de luz em cada um dos dezesseis canais eram quase idênticas entre si, um requisito para que a troca de emaranhamento tivesse sucesso.
O experimento confirmou que esta abordagem não é apenas teoricamente possível, mas praticamente viável. Os pesquisadores mediram a qualidade dos pares emaranhados que criaram e descobriram que eles mantinham um alto grau de fidelidade, o que significa que as partículas permaneciam exatamente no estado quântico exigido para futuras redes. Eles também mostraram que, ao usar componentes padrão e comercialmente disponíveis para a separação de cores, a tecnologia é escalável e não depende de maquinaria exótica e construída sob medida. Embora sua configuração atual tenha produzido alguns pares por segundo, suas simulações computacionais sugerem que, com melhorias adicionais, como o uso de ainda mais canais de cores e a redução da perda de sinal, a taxa poderia aumentar em ordens de magnitude. Este trabalho estabelece um caminho claro para a construção das redes quânticas de alta velocidade e longa distância que serão essenciais para a próxima geração de comunicações seguras e computação distribuída.
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