Um satélite chinês dividiu pares de "fótons emaranhados" e os transmitiu para estações terrestres separadas a 1.200 quilômetros, quebrando o recorde anterior de distância para esse feito e abrindo novas possibilidades na comunicação quântica.
Na física quântica, quando as partículas interagem entre si de certas maneiras, elas se tornam "enredadas". Isso significa essencialmente que eles permanecem conectados mesmo quando separados por grandes distâncias, de modo que uma ação executada em um afeta o outro.
Em um novo estudo publicado on-line hoje (15 de junho) na revista Science, os pesquisadores relatam a distribuição bem-sucedida de pares de fótons emaranhados em dois locais na Terra separados por 1.203 km (747,5 milhas).
O envolvimento quântico tem aplicações interessantes para testar as leis fundamentais da física, mas também para criar sistemas de comunicação excepcionalmente seguros, disseram os cientistas. Isso ocorre porque a mecânica quântica afirma que a medição de um sistema quântico o perturba inevitavelmente, de modo que qualquer tentativa de espionagem é impossível de ocultar.
Porém, é difícil distribuir partículas emaranhadas - normalmente fótons - por grandes distâncias. Ao viajar pelo ar ou por cabos de fibra ótica, o ambiente interfere nas partículas; portanto, com maiores distâncias, o sinal diminui e se torna fraco demais para ser útil.
Em 2003, Pan Jianwei, professor de física quântica da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, começou a trabalhar em um sistema baseado em satélite projetado para transmitir pares de fótons emaranhados para estações terrestres. A idéia era que, como a maior parte da jornada das partículas seria através do vácuo do espaço, esse sistema introduziria consideravelmente menos interferência ambiental.
"Muitas pessoas pensaram que era uma idéia maluca, porque já era muito desafiador fazer experimentos sofisticados de óptica quântica dentro de uma mesa óptica bem blindada", disse Pan à Live Science. "Então, como você pode fazer experimentos semelhantes na escala de mil quilômetros de distância e com os elementos ópticos vibrando e se movendo a uma velocidade de 8 quilômetros por segundo?"
No novo estudo, os pesquisadores usaram o satélite Micius da China, lançado no ano passado, para transmitir os pares de fótons emaranhados. O satélite possui uma fonte de fótons ultrabright emaranhada e um sistema de aquisição, apontamento e rastreamento (APT) de alta precisão que usa lasers de farol no satélite e em três estações terrestres para alinhar o transmissor e os receptores.
Quando os fótons chegaram às estações terrestres, os cientistas realizaram testes e confirmaram que as partículas ainda estavam emaranhadas, apesar de terem percorrido entre 1.600 e 2.400 km, dependendo do estágio de sua órbita em que o satélite estava posicionado.
Apenas os 10 km mais baixos da atmosfera da Terra são espessos o suficiente para causar interferência significativa nos fótons, disseram os cientistas. Isso significa que a eficiência geral de seu link foi muito maior do que os métodos anteriores de distribuição de fótons emaranhados por cabos de fibra óptica, de acordo com os cientistas.
"Já alcançamos uma eficiência de distribuição de entrelaçamento de dois fótons um trilhão de vezes mais eficiente do que usar as melhores fibras de telecomunicações", disse Pan. "Fizemos algo que era absolutamente impossível sem o satélite".
Além de realizar experimentos, um dos usos possíveis para esse tipo de sistema é a "distribuição quântica de chaves", na qual os sistemas de comunicação quântica são usados para compartilhar uma chave de criptografia entre duas partes que é impossível interceptar sem alertar os usuários. Quando combinado com o algoritmo de criptografia correto, esse sistema não pode ser quebrado, mesmo que as mensagens criptografadas sejam enviadas pelos canais de comunicação normais, disseram especialistas.
Artur Ekert, professor de física quântica da Universidade de Oxford, no Reino Unido, foi o primeiro a descrever como os fótons emaranhados poderiam ser usados para transmitir uma chave de criptografia.
"O experimento chinês é uma conquista tecnológica bastante notável", disse Ekert à Live Science. "Quando propus a distribuição de chaves quânticas baseada em emaranhados em 1991, quando eu era estudante em Oxford, não esperava que ela fosse elevada a tais alturas!"
O satélite atual ainda não está pronto para uso em sistemas práticos de comunicação quântica, de acordo com Pan. Por um lado, sua órbita relativamente baixa significa que cada estação terrestre tem cobertura por apenas cerca de 5 minutos por dia, e o comprimento de onda dos fótons usados significa que ela só pode operar à noite, disse ele.
Aumentar os tempos e as áreas de cobertura significará o lançamento de novos satélites com órbitas mais altas, disse Pan, mas isso exigirá telescópios maiores, rastreamento mais preciso e maior eficiência do link. A operação diurna exigirá o uso de fótons nos comprimentos de onda das telecomunicações, acrescentou.
Mas, enquanto o desenvolvimento de futuras redes de comunicação quântica exigirá um trabalho considerável, Thomas Jennewein, professor associado do Instituto de Computação Quântica da Universidade de Waterloo, no Canadá, disse que o grupo de Pan demonstrou um dos principais componentes.
"Eu trabalho nessa linha de pesquisa desde 2000 e pesquisei implementações semelhantes de experimentos de quantum emaranhamento do espaço, e, portanto, posso atestar muito a ousadia, dedicação e habilidades que esse grupo chinês demonstrou", disse ele à Live Science. .
