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China quebra o recorde para "ação fantasmagórica à distância" e abre caminho para a internet quântica

Resultados do satélite Micius mostram o caminho para as comunicações globais à prova de hackers

Shutterstock
Em um estudo considerado como um marco, uma equipe de cientistas chineses, utilizando um satélite experimental, testou o emaranhamento quântico em distâncias sem precedentes, irradiando pares de fótons emaranhados para três estações terrestres na China - cada uma delas separada por mais de 1.200 quilômetros. O teste avaliou um princípio misterioso e antigo da teoria quântica, e estabelece firmemente a China como líder em uma crescente "corrida espacial quântica" para criar uma rede de comunicações global segura baseada no quantum - ou seja, uma "internet quântica" potencialmente impossível de ser penetrada e que seria de imensa importância geopolítica. As descobertas foram publicadas no dia 15 de junho, na Science.

“A China assumiu a liderança em comunicação quântica”, diz Nicolas Gisin, físico da Universidade de Genebra que não esteve envolvido no estudo. “Isso demonstra que a comunicação quântica global é possível e será alcançada em um futuro próximo.”

O conceito de comunicação quântica é considerado o padrão de ouro para segurança, em parte porque cada tentativa de monitoramento deixa sua marca na transmissão. As mensagens criptografadas convencionais requerem senhas secretas para serem descriptografadas, mas essas senhas são vulneráveis à espionagem à medida que são enviadas para o éter. Nas comunicações quânticas, no entanto, essas senhas podem ser codificadas nos vários estados quânticos de fótons emaranhados - como a sua polarização - e esses estados serão inevitavelmente alterados se uma mensagem for interceptada por espiões. As comunicações quânticas baseadas em terra normalmente enviam pares de fótons emaranhados através de cabos de fibra óptica ou por ar. Porém, as colisões com átomos comuns ao longo do caminho perturbam os estados quânticos delicados dos fótons, limitando as distâncias de transmissão para algumas centenas de quilômetros. Dispositivos sofisticados chamados "repetidores quânticos" - equipados com módulos de "memória quântica" - poderiam, a princípio, ser encadeados para receber, armazenar e retransmitir as senhas quânticas em distâncias mais longas, mas esta tarefa é tão complexa e difícil que tais sistemas permanecem, em grande parte, teóricos.

"Um repetidor quântico tem que receber fótons de dois lugares diferentes, depois armazená-los na memória quântica e, depois, interferir diretamente entre eles" antes de enviar novos sinais ao longo de uma rede, diz Paul Kwiat, físico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign que não é afiliado à equipe chinesa. "Contudo, para fazer tudo isso, é preciso saber que eles foram armazenados sem realmente terem sido medidos." A situação, segundo Kwiat, é um pouco como saber o que recebeu no correio sem procurar na sua caixa de correio ou abrir o pacote que há lá dentro. "Você pode agitar o pacote - mas isso é algo difícil de se fazer, se o que você está recebendo são apenas fótons. Você quer ter certeza de que os recebeu, mas não quer absorvê-los. A princípio, é possível - sem dúvida - mas é algo muito difícil de fazer."

Para formar uma rede de comunicações quânticas segura ao redor do globo, a única solução disponível é transmitir senhas quânticas através do vácuo do espaço e, em seguida, distribuí-las por dezenas a centenas de quilômetros usando nós baseados no solo. Lançado na baixa órbita terrestre em 2016 e com o nome de antigo filósofo chinês, o satélite Micius pesa 600 quilos e é a primeira tentativa da China para fazer exatamente isso, além de ser apenas o primeiro de uma frota planejada pelo país como parte de seu Programa de Experimentos Quânticos em Escala Espacial (QUESS, na sigla em inglês), de US$ 100 milhões.

Micius carrega em seu coração uma montagem de cristais e lasers que gera pares de fótons emaranhados. Depois, divide-os em feixes separados para estações terrestres em seu campo de visão na Terra. Para o teste mais recente, as três estações receptoras estavam localizadas nas cidades de Delingha e Ürümqi - ambas no planalto tibetano - bem como na cidade de Lijiang, no extremo sudoeste da China. A 1.203 quilômetros, a distância geográfica entre Delingha e Lijiang é a maior distância já registrada de transmissão de pares de fótons emaranhados.

Por enquanto, o sistema continua sendo uma prova de conceito, pois a atual taxa de transmissão de dados relatada entre o Micius e suas estações de recebimento é muito baixa para sustentar comunicações quânticas práticas. Dos cerca de seis milhões de pares emaranhados que o núcleo cristalino de Micius produziu durante cada segundo de transmissão, em torno de apenas um par por segundo atingiu os detectores terrestres depois que os feixes enfraqueceram à medida que atravessavam a atmosfera da Terra e os telescópios de captura de cada estação receptora.

O líder da equipe, Jian-Wei Pan - físico da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei, que impulsionou e planejou o experimento desde 2003 - compara a façanha com a detecção de um único fóton que fosse “arremessado” por alguém na Lua. Mesmo assim, diz ele, a transmissão de pares de fótons emaranhados pela Micius é "um trilhão de vezes mais eficiente do que usar as melhores fibras de telecomunicações. [...] Fizemos algo que era absolutamente impossível sem o satélite.” Nos próximos cinco anos, segundo Pan, o QUESS lançará satélites de comunicações quânticas mais práticos.

Embora Pan e sua equipe planejem que Micius e a rede de satélites irmãos a qual está nascendo eventualmente distribua senhas quânticas, a sua demonstração inicial conseguiu, em vez disso, concluir uma tarefa mais simples: provar que Einstein estava errado.

Einstein taxou de "ação fantasmagórica à distância" um dos elementos mais bizarros da teoria quântica - a forma como a medição de um membro de um par de partículas emaranhadas parece mudar instantaneamente o estado de sua contraparte, mesmo que essa partícula de contraparte esteja do outro lado da galáxia. Isso foi abominável para Einstein, porque sugere que a informação possa ser transmitida entre as partículas mais rápido do que a luz, quebrando o limite de velocidade universal estabelecido por sua teoria da relatividade especial. Ao invés disso, ele e outros disseram, talvez as partículas emaranhadas compartilhem, de alguma forma, de "variáveis ocultas" que são inacessíveis por via experimental mas determinariam o comportamento subsequente das partículas quando medidas. Em 1964, o físico John Bell inventou uma maneira de testar a idéia de Einstein, calculando um limite que os físicos poderiam medir estatisticamente o quanto as variáveis ocultas pudessem se correlacionar com o comportamento de partículas emaranhadas. Se as experiências mostrassem que esse limite fosse excedido, a idéia de Einstein de variáveis ocultas seria incorreta.

Desde os anos 1970, os “testes de Bell” feitos por cientistas em distâncias cada vez maiores no espaço-tempo mostram que Einstein, na verdade, se equivocou e que as partículas emaranhadas de fato superam os limites estritos de Bell. O teste mais definitivo ocorreu na Holanda em 2015, quando uma equipe da Universidade Técnica de Delft fechou diversas possíveis "lacunas" que passaram por experiências no passado e ofereceram oportunidades pequenas, porém significativas, para que a influência de variáveis ocultas escorregasse. Contudo, esse teste envolveu a separação de partículas emaranhadas em pouco mais de um quilômetro. Com a transmissão de fótons emaranhados por Micius entre estações terrestres bastante separadas, a equipe de Pan realizou desta vez um teste de Bell a distâncias mil vezes maiores. Assim como anteriormente, seus resultados confirmam que Einstein estava errado. O reino quântico continua a ser um lugar assustador - embora ninguém ainda entenda o porquê.

“É claro, ninguém que aceita a mecânica quântica possivelmente poderia duvidar de que emaranhamentos podem ser criados a essa distância - ou qualquer distância - mas ainda é bom ver isso de forma concreta”, diz Scott Aaronson, físico da Universidade do Texas em Austin, “Nada do que sabíamos sugeria que esse objetivo fosse inalcançável. O significado dessa notícia não é por ser inesperada ou por derrubar algo anteriormente acreditado, mas simplesmente porque é uma culminação satisfatória de anos de trabalho duro.”

O trabalho começou nos anos 1990 quando Pan, líder da equipe chinesa, era um estudante de pós-graduação no laboratório do físico Anton Zeilinger na Universidade de Innsbruck, na Áustria. Zeilinger foi o orientador de doutorado de Pan e eles colaboraram de perto para testar e desenvolver ideias para comunicação quântica. Pan retornou à China para começar seu próprio laboratório em 2001 e, da mesma forma, Zeilinger também começou um na Academia Austríaca de Ciências, em Viena. Nos sete anos seguintes, competiram ferozmente para quebrar recordes de transmissão de pares de fótons emaranhados a distâncias sempre maiores, e em condições cada vez mais extremas, em experiências terrestres. Tudo isso enquanto cada um deles pressionava a agência espacial do seu respectivo país para dar sinal verde a um satélite que pudesse ser usado para testar a técnica no espaço. Entretanto, as propostas de Zeilinger pereceram em um pântano burocrático na Agência Espacial Européia, enquanto as de Pan foram rapidamente abraçados pela Administração Espacial Nacional da China. Por fim, Zeilinger escolheu colaborar novamente com seu antigo aluno em vez de competir contra ele. Hoje, a Academia Austríaca de Ciências é parceira do QUESS e o projeto planeja usar o Micius para realizar uma experiência intercontinental de distribuição de senhas quânticas entre estações terrestres em Viena e Pequim.

“Estou feliz que o Micius funcione tão bem”, diz Zeilinger. “Mas temos que perceber que é uma oportunidade perdida para Europa e outros lugares também.”

Há anos, outros pesquisadores e instituições estão lutando para recuperar o atraso, pressionando os governos para obter mais recursos para novas experiências em terra e no espaço - e muitos deles vêem o sucesso de Micius como o evento catalítico que esperavam. “Esse é um grande marco histórico, porque se teremos uma internet quântica no futuro, precisaremos enviar emaranhamentos por esses tipos de longas distâncias”, diz Thomas Jennewein, físico da Universidade de Waterloo, no Canadá, que não esteve envolvido no estudo. “Essa pesquisa é inovadora para todos nós da comunidade - qualquer um pode apontar para ela e dizer ‘viu, isso realmente funciona!’”

Jennewein e seus colaboradores estão buscando uma abordagem situada no espaço desde o início, fazendo parceria com a Agência Espacial Canadense para planejar um satélite menor e mais simples, que possa ser lançado daqui a 5 anos, para atuar como um “receptor universal” e redistribuir fótons emaranhados irradiados por estações terrestres. Na Universidade Nacional de Cingapura, uma colaboração internacional liderada pelo físico Alexander Ling já lançou o CubeSats - barato e do tamanho de uma caixas de sapatos - para criar, estudar e até mesmo transmitir pares de fótons que estão "correlacionados" - um estado próximo do emaranhamento. Além disso, no Estados Unidos, Kwiat está usando o financiamento da NASA para desenvolver na Universidade de illinois um aparelho que possa, um dia, testar comunicações quânticas utilizando “hiperemaranhamentos” (emaranhamentos simultâneos de pares de fótons de diversas formas) a bordo da Estação Espacial Internacional.

Talvez o mais importante seja que uma equipe, liderada por Gerd Leuchs e Christoph Marquardt no Instituto Max Planck para a Ciência da Luz na Alemanha, está desenvolvendo protocolos de comunicação quântica para sistemas de laser comercialmente disponíveis já no espaço, a bordo dos satélites europeus Copernicus e SpaceDataHighway. Usando um desses sistemas, a equipe codificou e enviou com sucesso estados quânticos simples para estações terrestres utilizando fótons irradiados a partir de um satélite em órbita geoestacionária, cerca de 38 mil quilômetros acima da Terra. Essa abordagem, explica Marquardt, não depende dos emaranhamentos e é muito diferente do QUESS - porém, com atualizações mínimas, poderia ser usado para distribuir senhas quânticas para comunicações seguras em apenas cinco anos. Seus resultados aparecem na revista científica Optica.

“Nosso propósito é realmente encontrar um atalho para fazer coisas como a distribuição de senhas quânticas com satélites algo economicamente viável e empregável, logo logo”, diz Marquardt. “[Engenheiros] investiram 20 anos de trabalho duro fazendo esses sistemas, então é mais fácil atualizá-los do que desenhar tudo do zero… É uma vantagem muito boa se você pode se apoiar em algo que já está qualificado no espaço, porque a qualificação espacial é bastante complicada. Normalmente, leva-se de cinco a dez anos apenas para desenvolver isso.”

No entanto, Marquardt e outros suspeitam que este campo poderia estar muito mais avançado do que foi reconhecido publicamente, com desenvolvimentos possivelmente escondidos atrás de velhos segredos oficiais nos Estados Unidos e em outros lugares. Pode ser que a era da comunicação quântica já esteja sobre nós. "Alguns colegas meus fizeram a piada de que ‘o silêncio dos EUA é muito alto’", diz Marquardt. "Eles tiveram alguns grupos muito bons sobre satélites de espaço livre e distribuição de senhas quânticas no Laboratório Nacional de Los Alamos e outros lugares, e de repente eles pararam de publicar. Então, sempre dizemos que há dois motivos que os fizeram parar de publicar: ou não funcionou, ou funcionou muito bem!"

Lee Billings, com reportagem adicional de Jesse Dunietz
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