Para conseguir isso, os pesquisadores desenvolveram um novo protocolo para distribuir informações quânticas de forma paralela, criando efetivamente múltiplos canais para enviar dados, ou multiplexação. O trabalho foi realizado incorporando átomos de itérbio dentro de cristais e acoplando-os a cavidades ópticas — estruturas em nanoescala que capturam e guiam a luz. Esta plataforma tem propriedades únicas que a tornam ideal para usar múltiplos qubits para transmitir fótons portadores de informações quânticas em paralelo.

"Esta é a primeira demonstração de multiplexação de emaranhamento em uma rede quântica de qubits de spin individuais", diz Andrei Faraon (BS '04), o Professor William L. Valentine de Física Aplicada e Engenharia Elétrica no Caltech. "Este método aumenta significativamente as taxas de comunicação quântica entre nós, representando um grande salto no campo."

O trabalho é descrito em um artigo publicado em 26 de fevereiro no periódico Nature . Os autores principais do artigo são Andrei Ruskuc (PhD '24), agora um bolsista de pós-doutorado na Universidade de Harvard, e Chun-Ju Wu, um estudante de pós-graduação no Caltech, que concluiu o trabalho no laboratório de Faraon.

Assim como a internet conecta os computadores clássicos que estamos acostumados a usar hoje, as redes quânticas do futuro conectarão computadores quânticos que existem em diferentes locais físicos.

Ao trabalhar com o reino quântico, os pesquisadores estão lidando com a escala minúscula de átomos individuais e de fótons, as partículas básicas da luz. Nessa escala, a matéria não se comporta de acordo com a física clássica; em vez disso, a mecânica quântica está em jogo.

Um dos conceitos mais importantes e bizarros da mecânica quântica é o de emaranhamento, onde dois ou mais objetos, como átomos ou fótons, estão inextricavelmente ligados, independentemente de sua separação física. Essa conexão é tão fundamental que uma partícula não pode ser totalmente descrita sem referência à outra. Como resultado, medir o estado quântico de uma também fornece informações sobre a outra, o que é fundamental para a comunicação quântica.

Na comunicação quântica, o objetivo é usar átomos entrelaçados como qubits para compartilhar, ou teletransportar, informações quânticas. O principal desafio que até agora limitou as taxas de comunicação é o tempo que leva para preparar qubits e transmitir fótons.

No novo sistema, os dois nós são estruturas nanofabricadas feitas de cristais de ortovanadato de ítrio (YVO4). Lasers são usados para excitar átomos de itérbio (Yb3+), um metal de terras raras, dentro desses cristais, fazendo com que cada átomo emita um fóton que permanece emaranhado com ele. Fótons de átomos em dois nós separados então viajam para um local central onde são detectados. Esse processo de detecção aciona um protocolo de processamento quântico que leva à criação de estados emaranhados entre pares de átomos de itérbio.

Cada nó tem muitos átomos de itérbio dentro do cristal YVO4, então há muitos qubits disponíveis. No entanto, cada um desses átomos tem uma frequência óptica ligeiramente diferente causada por imperfeições dentro do cristal.

"Isso é como uma espada de dois gumes", diz Ruskuc. Por um lado, as frequências diferentes permitem que os pesquisadores ajustem seus lasers para atingir átomos específicos. Por outro lado, os cientistas acreditavam anteriormente que as diferenças correspondentes nas frequências de fótons tornariam impossível gerar estados de qubits emaranhados.

"É aí que entra nosso protocolo. É uma maneira inovadora de gerar estados emaranhados de átomos, mesmo quando suas transições ópticas são diferentes", diz Ruskuc.

No novo protocolo, os átomos passam por um tipo de processamento quântico personalizado em tempo real assim que os fótons são detectados no local central. Os pesquisadores chamam esse processamento de "controle de feed-forward quântico".

"Basicamente, nosso protocolo pega essa informação que recebeu do tempo de chegada do fóton e aplica um circuito quântico: uma série de portas lógicas que são adaptadas aos dois qubits. E depois que aplicamos esse circuito, ficamos com um estado emaranhado", explica Ruskuc.

A plataforma YVO4 da equipe pode acomodar muitos qubits — neste trabalho, cada nó continha aproximadamente 20. "Mas pode ser possível aumentar esse número em pelo menos uma ordem de magnitude", diz o coautor Wu.

"As propriedades únicas dos íons de terras raras combinadas com nosso protocolo demonstrado pavimentam o caminho para redes com centenas de qubits por nó", diz Faraon. "Acreditamos que este trabalho estabelece uma base sólida para sistemas de comunicação quântica de alto desempenho baseados em íons de terras raras."

Autores adicionais do Caltech do artigo, "Multiplexed Entanglement of Multi-emitter Quantum Network Nodes", são o aluno de pós-graduação Emanuel Green; a pesquisadora associada de pós-doutorado da AWS Quantum, Sophie LN Hermans; o aluno de pós-graduação William Pajak; e Joonhee Choi da Universidade de Stanford, um ex-pesquisador de pós-doutorado do laboratório de Faraon. A nanofabricação de dispositivos foi realizada no Kavli Nanoscience Institute no Caltech. O trabalho foi apoiado principalmente pelo Air Force Office of Scientific Research e pelo IQIM , um National Science Foundation Physics Frontiers Center no Caltech que recebe apoio da Gordon and Betty Moore Foundation. Financiamento adicional veio da NSF.