Um grande passo em direção à comunicação quântica ultra-segura graças a uma nova fonte de emaranhamento

Os pesquisadores deram um passo importante em direção à comunicação quântica ultrassegura ao combinar com sucesso dois conceitos ganhadores do Prêmio Nobel: emaranhamento e pontos quânticos. Ao integrar pontos quânticos no nanofio, os pesquisadores conseguiram criar uma fonte quase perfeita de fótons emaranhados, tornando o emaranhamento quase 65 vezes mais eficiente do que as técnicas anteriores. Isso tornou possível simular a "distribuição quântica de chaves", uma técnica de comunicação quase intocável.

O emaranhamento quântico é um fenômeno no qual um ou mais pares de partículas formam um sistema conectado e exibem estados quânticos interdependentes, independentemente da distância entre eles. Assim, há uma correlação constante entre as propriedades físicas dessas partículas. Esse princípio foi demonstrado experimentalmente pela primeira vez por Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, pelos quais receberam o Prêmio Nobel de Física em 2022.

Desde então, o fenômeno tem sido amplamente estudado por suas potenciais aplicações em tecnologias avançadas de comunicação e imagem. No entanto, a obtenção de emaranhamentos suficientemente estáveis para tais aplicações continua sendo um grande desafio. "A combinação de alto emaranhamento e alta eficiência é necessária para aplicações interessantes, como distribuição de chaves quânticas ou relés quânticos, que devem aumentar a distância da comunicação quântica segura em escala global ou conectar computadores quânticos remotos", explica Michael Reimer em um comunicado à imprensa do Instituto de Computação Quântica (IQC) da Universidade de Waterloo (Bélgica).

Para superar esse problema, os pontos quânticos têm sido investigados recentemente. Eles foram estudados pela primeira vez por Mungi Bavendi, Louis Bruce e Alexei Ekimov, ganhadores do Prêmio Nobel de Química de 2023. São nanoestruturas cristalinas de semicondutores contendo várias centenas a vários milhares de átomos. Sua estrutura é pensada para fornecer um nível alto o suficiente de confinamento para gerar eficientemente fótons perfeitamente emaranhados.

Aqui, no entanto, também há uma dificuldade associada ao fenômeno conhecido como "divisão de estrutura fina". "Historicamente, os sistemas de pontos quânticos têm enfrentado um problema chamado divisão de estrutura fina, que faz com que um estado emaranhado oscile ao longo do tempo. Isso significa que as medições feitas com o sistema de detecção lenta não nos permitem medir o emaranhamento", explica Matteo Pennacchietti, também pesquisador do IQC.

Em seu novo estudo, publicado recentemente na revista Communications Physics, Pennacchietti e seus colegas propõem superar essas duas dificuldades simultaneamente com um novo sistema de pontos quânticos. Eles possibilitaram a obtenção de pares quase perfeitos de fótons emaranhados. "Experimentos anteriores demonstraram emaranhamento quase perfeito ou alta eficiência, mas somos os primeiros a atender a esses dois requisitos com um ponto quântico", diz Reimer.

65 vezes mais eficiente que os métodos anteriores

Para criar uma nova fonte de emaranhamento de fótons, os pesquisadores integraram pontos quânticos baseados em índio em nanofios. Esta fonte pode gerar pares emaranhados de fótons sob demanda usando lasers. Eles então combinaram pontos quânticos com detectores de fótons únicos de alta resolução. Em contraste com os métodos de detecção anteriores, isso permite um registro muito preciso do tempo do estado de emaranhamento em cada ponto, tornando possível obter emaranhamentos quase perfeitos.

Em experimentos de laboratório, o novo sistema foi capaz de gerar pares de fótons com nível máximo de emaranhamento de 98%. A eficiência de lasing resultante é 65 vezes maior do que a dos métodos anteriores. Esse potencial possibilitou a criação de uma fonte de fótons emaranhados para distribuição quântica de chaves (QKD).

A fonte dos fótons emaranhados é um ponto quântico baseado em índio integrado em um nanofio semicondutor (esquerda) e uma visualização de como fótons emaranhados são eficientemente extraídos do nanofio (direita).

QKD é um sistema para a troca altamente segura de informações confidenciais entre duas pessoas que se comunicam através de um canal comum. Mais especificamente, ele permite que duas pessoas gerem e troquem chaves secretas que são usadas para criptografar e descriptografar mensagens. Como o sistema é baseado na mecânica quântica, a intrusão que causou as anomalias será imediatamente detectada.