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domingo, 16 de outubro de 2016

Teleporting Toward a Quantum Internet | Teletransporte rumo a uma internet quântica


Esta imagem mostra cristais usados para armazenar fótons entrelaçados, os quais se comportam como se fosse parte do mesmo todo. Cientistas usam cristais como esses em experiências de teletransporte quântico


A física quântica é um campo que parece dar superpoderes aos cientistas. Aqueles que compreendem o universo das extremamente pequenas ou frias partículas podem executar feitos extraordinários com elas — inclusive o teletransporte — que parecem distorcer a realidade.
A ciência por trás desses feitos é complicada, e até recentemente, não existia fora dos laboratórios settings. Mas isso está mudando: pesquisadores começaram a implementar o teletransporte quântico em contextos do mundo real. Ser capaz de fazer isso pode revolucionar as comunicações por telefone e Internet do mundo moderno, proporcionando mensagens cifradas altamente seguras.
Um artigo publicado na Nature Photonics com a coautoria de engenheiros do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, California, detaçha as primeiras experiências com teletransporte quânticos em uma rede metropolitana de cabos de fibra. Pela primeira vez, o fenômeno foi verificado por longas distâncias na real infraestrutura da cidade. No Canadá, pesquisadores da  Universidade de Calgary teletransportaram o estado quântico de um fóton por mais de 6 quilômetros em cabos "escuros" (não utilizados) sob a cidade de Calgary. Trata-se de um novo recorde da mais longa distancia de teletransporte quântico em uma real rede metropolitana.
Embora distâncias maiores tivessem sido registradas no passado, foram conduzidas em situações de laboratório, onde os fótons foram atirados através de rolos de cabos para simular a perda de sinal causada por longas distâncias. Essa última série de experiências em Calgary testaram o teletransporte quântico em uma infraestrutura real, representando um importante passo adiante para a tecnologia.
“Demonstrar os efeitos quânticos como o teletransporte fora do ambiente de laboratórios é algo que envolve toda uma nova série de desafios.Essa experiência mostra como esses desafios podem ser todos superados, e portanto marca uma importante etapa em direção à futura Internet quântica,” disse Francesco Marsili, um dos coautores do JPL. “A comunicação quântica libera algumas das propriedades únicas da mecânica quântica, como por exemplo, a troca de informações como inédita segurança ou a a conexão conjunta de computadores quânticos.”
O sensores de fótons para a experiência foram desenvolvidos por Marsili e Matt Shaw, do Laboratório de Microdispositivos do JPL, em conjunto com colegas do National Institute of Standards and Technology, em Boulder, Colorado. Seus conhecimentos foram cruciais para as experiências: a rede quântica é feita com fótons, e requer alguns dos mais sensíveis sensores existentes para saber exatamente o que está acontecendo com a partícula.
“A plataforma supercondutora,  um pioneirismo dos pesquisadores do JPL e do NIST, torna possível detectar fótons únicos em comprimentos de onda de telecomunicações com  uma eficiência praticamente perfeita, quase nenhum ruído. Isso era simplesmente impossível com tipos de detectores mais antigos, e então experiências  como as nossas, utilizando a infraestrutura de fibras existente, teriam sido quase impossíveis sem os detectores do JPL,” disse Daniel Oblak , do Instituto de Ciência Quântica e Tecnologia da Universidade de Calgary.
Emails mais seguros com o uso da física quântica
Desça ao nível de um fóton, e a física começa a ditar regras bizarraas. Cientistas que entendem essas regras podem “emaranhar” duas partículas para que suas propriedades sejam ligadas umas às outras. O emaranhamento é um conceito de difícil compreensão,  segundo o qual partículas com diferentes características, ou estados, podem ser unidas através do espaço. Isso significa que quaisquer que sejam os efeitos que afetem o estado de uma partícula afetarão a outra, ainda que elas estejam localizadas a várias milhas de distância uma da outra.
É aqui que entra o teletransporte. Imagine que você tenha duas partículas emaranhadas — chamemo-las Fóton 1 e Fóton 2 — e  Fóton 2 é enviada para uma locvalidade distante. Lá, ela se encontra com Fóton 3, e ambas interagem entre si. O estado de Fóton 3 pode ser transferido a Fóton 2, e automaticamente “teletransportado” para a gêmea entrelaçada, Fóton 1. Essa transferência desencorporada ocorre a despeito do fato de que Fótons 1 e 3 nunca interajam entre si.
Essa propriedade pode ser usada para a troca segura de mensagens secretas. Se duas pessoas compartilham um par de fótons emaranhados, a informação quântica pode ser transmitida de forma desencorporada, deixando aos bisbilhoteiros nada para interceptar, e, portanto, incapazes de ler a mensagem secreta.
Teletransporte significa percorrer a distância
Esse sistema de comunicações altamente seguras está sendo testado em alguns campos, disse Marsili, inclusive na indústria financeira e em agências como a NASA, que desejam proteger seus sinais de dados espaciais.Os detectores supercondutores de fótons únicos desenvolvidos por Marsili, Shaw e seus colegas do NIST são uma ferramenta-chave para se fazer isso, porque o envio de fótons por longas distâncias irá inevitavelmente levar à “perda” do sinal. Mesmo quando utilizando um laser no espaço, a luz sofre difusão com a distância, o que enfraquece a potência do sinal que estiver sendo transmitido.
O próximo passo é construir repetidoras que possam teletransportar mais além o estado de um fóton, de uma localidade para a seguinte. Assim como repetidoras são usadas para  as levar outros sinais de telecomunicações através de longas distâncias, elas poderiam ser usadas para teletransportar fótons emaranhados. Detectores de fótons super sensíveis permitiriam que repetidoras enviassem fótons emaranhados através do páis. Para comunicações espaciais, repetidoras nem sequer seriam necessárias; os fótons poderiam acabar sendo disparados para o espeaço com o uso de lasers,  e estados de fótons poderiam ser teletransportados da Terra.
Nenhuma repetidora foi usada nas experiências de Calgary, que foram destinadas principalmente a estabelecer como o teletransporte quântico pode ser executado fora de laboratórios. Pesquisadores usaram a fibra escura da cidade — um cabo óptico único sem eletrônicos ou equipamentos de rede passando através deles.
“Com o uso de detectores supercondutores avançados, podemos usar fótons individuais para uma comunicação eficiente de informações tanto clássicas quanto quânticas do espaço para o solo,” disse Shaw. “Planejamos usar versões mais avançadas desses detectores para demonstrações de comunicações ópticas do espaço profundo e de teletransporte quântico da Estação Espacial Internacional.”

Tradução de Luiz Leitão da Cunha

This image shows crystals used for storing entangled photons, which behave as though they are part of the same whole. Scientists use crystals like these in quantum teleportation experiments


Quantum physics is a field that appears to give scientists superpowers. Those who understand the world of extremely small or cold particles can perform amazing feats with them -- including teleportation -- that appear to bend reality.
The science behind these feats is complicated, and until recently, didn’t exist outside of lab settings. But that’s changing: researchers have begun to implement quantum teleportation in real-world contexts. Being able to do so just might revolutionize modern phone and Internet communications, leading to highly secure, encrypted messaging.
A paper published in Nature Photonics and co-authored by engineers at NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California, details the first experiments with quantum teleportation in a metropolitan fiber cable network. For the first time, the phenomenon has been witnessed over long distances in actual city infrastructure. In Canada, University of Calgary researchers teleported the quantum state of a photon more than 3.7 miles (6 kilometers) in “dark” (unused) cables under the city of Calgary. That’s a new record for the longest distance of quantum teleportation in an actual metropolitan network.
While longer distances had been recorded in the past, those were conducted in lab settings, where photons were fired through spools of cable to simulate the loss of signal caused by long distances. This latest series of experiments in Calgary tested quantum teleportation in actual infrastructure, representing a major step forward for the technology.
“Demonstrating quantum effects such as teleportation outside of a lab environment involves a whole new set of challenges. This experiment shows how these challenges can all be overcome and hence it marks an important milestone towards the future quantum Internet,” said Francesco Marsili, one of the JPL co-authors. “Quantum communication unlocks some of the unique properties of quantum mechanics to, for example, exchange information with ultimate security or link together quantum computers.”
Photon sensors for the experiment were developed by Marsili and Matt Shaw of JPL’s Microdevices Laboratory, along with colleagues at the National Institute of Standards and Technology, Boulder, Colorado. Their expertise was critical to the experiments: quantum networking is done with photons, and requires some of the most sensitive sensors in the world in order to know exactly what’s happening to the particle.
“The superconducting detector platform, which has been pioneered by JPL and NIST researchers, makes it possible to detect single photons at telecommunications wavelengths with nearly perfect efficiency and almost no noise. This was simply not possible with earlier detector types, and so experiments such as ours, using existing fiber-infrastructure, would have been close to impossible without JPL’s detectors,” said Daniel Oblak of the University of Calgary’s Institute for Quantum Science and Technology.
Safer emails using quantum physics
Shrink down to the level of a photon, and physics starts to play by bizarre rules. Scientists who understand those rules can “entangle” two particles so that their properties are linked. Entanglement is a mind-boggling concept in which particles with different characteristics, or states, can be bound together across space. That means whatever affects one particle’s state will affect the other, even if they’re located miles apart from one another.
This is where teleportation comes in. Imagine you have two entangled particles -- let’s call them Photon 1 and Photon 2 -- and Photon 2 is sent to a distant location. There, it meets with Photon 3, and the two interact with each other. Photon 3’s state can be transferred to Photon 2, and automatically “teleported” to the entangled twin, Photon 1. This disembodied transfer happens despite the fact that Photons 1 and 3 never interact.
This property can be used to securely exchange secret messages. If two people share an entangled pair of photons, quantum information can be transmitted in a disembodied fashion, leaving an eavesdropper with nothing to intercept and so unable to read the secret message.
Teleportation Means Going the Distance
This system of highly secure communications is being tested in a number of fields, Marsili said, including financial industries and agencies like NASA that want to protect their space data signals. The superconducting single photon detectors developed by Marsili, Shaw and their NIST colleagues are a key tool in doing this, because sending photons over long distances will inevitably lead to “loss” of the signal. Even when using a laser in space, light diffuses over distance, weakening the power of the signal being transmitted.
The next step is building repeaters that can further teleport the state of a photon from one location to the next. Just as repeaters are used to carry other telecommunication signals across long distances, they could be used to teleport entangled photons. Super-sensitive photon detectors would allow repeaters to send entangled photons across the country. For space-related communications, repeaters wouldn’t even be necessary; photons could eventually be fired into space using lasers, and photon states could be teleported from Earth.
No repeaters were used in the Calgary experiments, which were mainly meant to establish how quantum teleportation can be performed outside the lab. Researchers used the city’s dark fiber -- a single optical cable with no electronics or network equipment flowing through them.
“By using advanced superconducting detectors, we can use individual photons to efficiently communicate both classical and quantum information from space to the ground,” Shaw said. “We are planning to use more advanced versions of these detectors for demonstrations of optical communication from deep space and of quantum teleportation from the International Space Station.”


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