Fotões atravessam 21 quilómetros pelo ar e ligam dois nós de uma rede quântica

Durante uma experiência realizada em Nova Iorque, investigadores da Stony Brook University e do Brookhaven National Laboratory fizeram algo que até agora obrigava a uma ligação física: enviaram informação quântica pelo ar, entre dois locais separados por 13 milhas — aproximadamente 21 quilómetros.

A luz partiu da Quantum Watchtower, instalada no campus de Stony Brook, e chegou à Quantum Lighthouse, em Upton, nas instalações de Brookhaven. O feixe atravessou a atmosfera em espaço livre, acrescentando um segmento sem fios à rede quântica que as duas instituições estão a construir.

O esquema oficial mostra a ligação estabelecida de 13 milhas entre a Quantum Watchtower e a Quantum Lighthouse. A extensão pontilhada até Yale ainda está em desenvolvimento. Crédito: Stony Brook University.

Uma estrada sem fibra

Os investigadores usaram um laser para gerar estados quânticos de luz com apenas alguns fotões. Na Watchtower, os fotões saíram do núcleo de uma fibra óptica com cerca de 5 micrómetros de diâmetro — menos de um décimo da espessura de um cabelo humano — e foram enviados para Brookhaven através de uma linha de visão aberta.

A expressão “sem fios” precisa, contudo, de ser entendida com rigor. Não se trata de Wi-Fi quântico, de uma rede comercial ou de um serviço de Internet disponível para o público. Trata-se de um enlace óptico de espaço livre, com emissores, recetores, controlo de feixe e deteção extremamente precisos.

A fotografia oficial identifica a estrutura como Quantum Lighthouse. A instalação é um dos extremos do enlace óptico de espaço livre entre Stony Brook e Brookhaven. Crédito: Stony Brook University.

O que está a ser transportado

A rede trabalha com estados quânticos de luz e, em testes separados, com pares de fotões entrelaçados. O entrelaçamento não transforma a comunicação numa transmissão instantânea: fornece correlações quânticas que podem ser utilizadas em experiências de comunicação, sensores e computação distribuída, desde que todo o sistema clássico de controlo e medição funcione corretamente.

A demonstração é relevante porque a fibra óptica não resolve todos os problemas de uma rede quântica. É excelente para muitos troços terrestres, mas impõe limites de percurso, perdas e compatibilidade com determinados dispositivos. Um enlace de espaço livre pode ligar edifícios, instalações ou, no futuro, plataformas que não estejam ligadas diretamente por fibra.

Investigadores trabalham com equipamento óptico e de deteção no contexto da rede quântica de Brookhaven. A ligação de espaço livre é uma infraestrutura experimental, não apenas uma experiência com um laser isolado. Crédito: Stony Brook University.

Uma rede de 161 milhas

O novo troço não existe sozinho. A rede metropolitana de Long Island e da área de Nova Iorque já liga oito nós e estende-se por cerca de 161 milhas. A ligação aérea entre Stony Brook e Brookhaven permite testar como uma futura rede poderá combinar fibra comercial com segmentos ópticos de espaço livre.

Está também prevista uma terceira instalação na Universidade de Yale, em New Haven, no Connecticut. No mapa do projeto, a ligação a Yale aparece como “em desenvolvimento”, pelo que não deve ser descrita como uma capacidade já operacional.

A Quantum Lighthouse fica integrada numa instalação técnica de Brookhaven. A demonstração exigiu coordenar óptica, comunicações, controlo e deteção em locais separados por 21 quilómetros. Crédito: Stony Brook University.

O que ainda falta

O resultado é um marco experimental, não uma rede quântica pronta para uso comercial. Os investigadores ainda terão de melhorar a disponibilidade do enlace, a resistência às condições atmosféricas, o rastreamento do feixe e a integração com dispositivos quânticos mais complexos.

A importância da experiência está precisamente aí: demonstra que uma rede quântica não tem de ser construída exclusivamente como uma sucessão de cabos. Ao combinar fibra e espaço livre, os investigadores estão a testar uma arquitetura mais flexível para ligar futuros computadores, sensores e sistemas de comunicação quânticos.