A melhor maneira de distribuir emaranhamento quântico em todo o mundo é através de uma enorme constelação de satélites em órbita, dizem os físicos.
A internet quântica é um sonho que muitos tecnólogos expuseram nos últimos anos. A idéia é explorar as estranhas propriedades quânticas de fótons e elétrons para enviar mensagens com perfeito sigilo.
Isso tem uma aplicação óbvia para governos e militares, mas é cada vez mais interessante para bancos e outras operações comerciais que precisam proteger tudo, desde contratos a transações financeiras. Além disso, esse tipo de segurança é cada vez mais necessário porque os computadores quânticos poderão quebrar os códigos usados atualmente para manter muitas mensagens privadas.
E isso levanta uma questão interessante: como cientistas e engenheiros devem realizar a tarefa de construir uma Internet quântica que abranja o mundo?
Hoje recebemos uma resposta graças ao trabalho de Sumeet Khatri e colegas da Louisiana State University em Baton Rouge. Essa equipe estudou as várias maneiras de construir uma Internet quântica e diz que a abordagem mais econômica é criar uma constelação de satélites habilitados para quantum, capazes de transmitir continuamente fótons emaranhados ao solo. Em outras palavras, a internet quântica deve ser baseada no espaço.
Primeiro alguns antecedentes. No coração de qualquer rede quântica está a estranha propriedade do emaranhado. Este é o fenômeno no qual duas partículas quânticas compartilham a mesma existência, mesmo que sejam separadas por grandes distâncias. Ele garante que uma medição de uma dessas partículas influencie imediatamente a outra, uma maravilha que Einstein chamou de “ação assustadora à distância”.
Os físicos geralmente distribuem o emaranhado usando pares de fótons criados no mesmo ponto e no mesmo instante no tempo. Quando os fótons são enviados para locais diferentes, o emaranhado que os liga pode ser explorado para enviar mensagens seguras.
O problema é que o emaranhamento é frágil e difícil de preservar. Qualquer pequena interação entre um dos fótons e seu ambiente quebra o vínculo. De fato, é exatamente isso que acontece quando os físicos transmitem fótons emaranhados diretamente através da atmosfera ou através de fibras ópticas. Os fótons interagem com outros átomos na atmosfera ou no vidro, e o emaranhado é destruído. Acontece que a distância máxima pela qual o entrelaçamento pode ser compartilhado dessa maneira é de apenas algumas centenas de quilômetros.
Como, então, construir uma Internet quântica que compartilhe emaranhamento em todo o mundo? Uma opção é usar “repetidores quânticos” – dispositivos que medem as propriedades quânticas dos fótons quando eles chegam e depois transferem essas propriedades para novos fótons que são enviados a caminho. Isso preserva o emaranhamento, permitindo que ele salte de um repetidor para o próximo. No entanto, essa tecnologia é altamente experimental e há vários anos de exploração comercial.
Portanto, outra opção é criar os pares emaranhados de fótons no espaço e transmiti-los para duas estações base diferentes no solo. Essas estações base então se enredam, permitindo que elas troquem mensagens com perfeito sigilo.
Em 2017, um satélite chinês chamado Micius mostrou pela primeira vez que o entrelaçamento pode realmente ser compartilhado dessa maneira.
Acontece que os fótons podem viajar muito mais longe nesse cenário, porque apenas os últimos 20 quilômetros da jornada são pela atmosfera, desde que o satélite esteja alto no céu e não muito próximo do horizonte.
Khatri e colaboradores dizem que uma constelação de satélites semelhantes é uma maneira muito melhor de criar uma internet quântica global. A chave é que, para se comunicar com segurança, duas estações terrestres devem poder ver o mesmo satélite ao mesmo tempo, para que ambos possam receber fótons emaranhados.
A que altitude os satélites devem voar para fornecer uma cobertura o mais ampla possível? E quantos serão necessários? “Como os satélites atualmente são um recurso caro, gostaríamos de ter o menor número possível de satélites na rede, mantendo a cobertura completa e contínua”, afirma Khatri and co.
Para descobrir, a equipe modelou essa constelação. Acontece que há uma série de compromissos importantes a serem levados em consideração. Por exemplo, menos satélites podem fornecer cobertura global quando orbitam em grandes altitudes. Mas altitudes mais altas levam a maiores perdas de fótons.
Além disso, os satélites em altitudes mais baixas podem abranger apenas distâncias mais curtas entre as estações base, porque ambos devem poder ver o mesmo satélite ao mesmo tempo.
Dadas essas limitações, Khatri e companhia sugerem que o melhor compromisso é uma constelação de pelo menos 400 satélites voando a uma altitude de cerca de 3.000 quilômetros. Por outro lado, o GPS opera com 24 satélites.
Mesmo assim, a distância máxima entre as estações base será limitada a cerca de 7.500 quilômetros. Isso significa que esse sistema poderia suportar mensagens seguras entre Londres e Mumbai, que estão a 7.200 km de distância, mas não entre Londres e Houston, a 7.800 km de distância – ou mesmo entre cidades mais distantes. Essa é uma desvantagem significativa.
No entanto, uma internet quântica baseada no espaço supera significativamente os sistemas terrestres de repetidores quânticos, dizem Khatri e colaboradores.
Os repetidores teriam que ser espaçados em intervalos inferiores a 200 quilômetros, portanto, percorrer longas distâncias exigiria um grande número deles. Isso introduz seu próprio conjunto de limitações para uma internet quântica. “Concluímos, portanto, que os satélites oferecem uma vantagem significativa sobre a distribuição de emaranhamento em terra”, afirma Khatri e companhia.
Obviamente, esse sistema exigiria investimentos significativos. A China tem uma vantagem óbvia, já tendo testado um satélite em órbita com esse tipo de tecnologia. E tem planos de ir mais longe.
Por outro lado, a Europa e os EUA parecem ter menos ambição a esse respeito. Isso pode mudar rapidamente se essa tecnologia puder provar seu valor. Nesse caso, a corrida espacial quântica pode estar prestes a esquentar.
