No início de 2026, pesquisadores da University of Science and Technology of China (USTC) alcançaram um marco histórico na computação quântica e comunicação ao demonstrarem um componente fundamental escalonável para repetidores quânticos. Este avanço, publicado na revista Nature, utilizou memórias quânticas de íons aprisionados de longa duração e interfaces de telecomunicações eficientes para estabelecer o emaranhamento em 10 quilômetros de fibra óptica. Ao superar a rápida decoerência de estados quânticos remotos, a equipe, liderada por Hao Li, Yi Yang e Ye Wang, forneceu a primeira evidência prática de que redes quânticas em escala metropolitana são física e tecnologicamente viáveis.
A visão de uma Internet Quântica global depende da integração perfeita de comunicação quântica, metrologia quântica e computação quântica distribuída. Tal rede promete uma mudança de paradigma na forma como a informação é processada e protegida, oferecendo sensoriamento de alta resolução e acelerações exponenciais em tarefas computacionais. No entanto, a base física desta rede requer a distribuição determinística de emaranhamento — um fenômeno onde as partículas permanecem conectadas independentemente da distância — através de vastas áreas geográficas. Até recentemente, a infraestrutura necessária para manter essas conexões frágeis por longas distâncias permanecia como o "elo perdido" mais significativo da indústria.
Como os repetidores quânticos resolvem a perda de fótons na fibra óptica?
Os repetidores quânticos superam a perda de fótons na fibra óptica dividindo links de comunicação longos em segmentos mais curtos e usando a troca de emaranhamento (entanglement swapping) para conectá-los sem amplificar o sinal diretamente. Ao empregar memórias quânticas para armazenar informações enquanto aguardam a confirmação de link bem-sucedida, esses repetidores evitam a decoerência que normalmente ocorre durante a transmissão de longa distância. Este método contorna efetivamente o teorema da não clonagem, que impede a amplificação de estados quânticos da mesma forma que os sinais clássicos são reforçados.
Nas telecomunicações tradicionais por fibra óptica, a perda de sinal é gerenciada através de amplificadores que aumentam a intensidade da luz. No domínio da computação quântica e da comunicação, no entanto, amplificadores padrão não podem ser usados porque qualquer tentativa de copiar ou amplificar um estado quântico destrói a informação original. Esta perda exponencial de fótons em fibras de vidro historicamente limitou a comunicação quântica baseada em fibra a alcances relativamente curtos. Os repetidores quânticos resolvem isso gerando emaranhamento dentro de segmentos locais e, em seguida, "trocando" esse emaranhamento com o segmento seguinte, criando um link contínuo que pode abranger centenas ou até milhares de quilômetros sem a necessidade de clonagem de sinal.
Quais avanços recentes ocorreram em repetidores quânticos em 2026?
O principal avanço de 2026 envolveu o desenvolvimento de memórias de íons aprisionados de longa duração e um protocolo de emaranhamento de fóton único de alta visibilidade para estabelecer o emaranhamento memória-memória em 10 km. Esta pesquisa, de autoria de Hao Li e colaboradores, alcançou tempos de vida de emaranhamento que excedem o tempo necessário para o estabelecimento, resolvendo o gargalo crítico da decoerência rápida em memórias quânticas remotas. Isso marca uma transição de designs teóricos de laboratório para hardware funcional capaz de suportar redes de computação quântica em escala metropolitana.
A metodologia empregada pela equipe da USTC envolveu diversas inovações tecnológicas importantes. Primeiro, eles utilizaram a tecnologia de íons aprisionados, que oferece tempos de coerência significativamente mais longos em comparação com outros sistemas de estado sólido. Segundo, desenvolveram uma interface de telecomunicações eficiente que converte os estados quânticos internos dos íons em fótons compatíveis com a infraestrutura de fibra óptica existente. Isso permitiu que os pesquisadores mantivessem o emaranhamento memória-memória através de um link de fibra de 10 km dentro do tempo médio necessário para estabelecer esse emaranhamento. Essa sincronização é um pré-requisito vital para o escalonamento da rede, pois garante que a informação quântica não desapareça antes que o próximo link na cadeia esteja pronto.
Como os repetidores quânticos permitirão a QKD independente de dispositivo?
Os repetidores quânticos permitem a distribuição de chaves quânticas independente de dispositivo (DI-QKD) ao estender a distribuição de emaranhamento de alta fidelidade por distâncias que são impossíveis para links de fibra direta. Ao validar uma taxa de chave secreta positiva em 101 quilômetros no limite assintótico, a equipe da USTC demonstrou que os repetidores quânticos podem facilitar a comunicação "inviolável". Isso garante que a segurança da comunicação seja garantida pelas leis da física, independentemente das imperfeições internas do hardware.
A demonstração prática de DI-QKD em escala metropolitana é talvez a aplicação imediata mais significativa desta pesquisa. A equipe destilou com sucesso 1.917 chaves secretas de aproximadamente 405.000 pares de Bell em uma distância de 10 km. Antes disso, a DI-QKD era severamente limitada pela distância; esta nova pesquisa estende o alcance alcançável em mais de duas ordens de magnitude. Para a segurança de dados governamentais, financeiros e pessoais, isso representa uma mudança em direção a um futuro onde a criptografia quântica protege os dados contra até mesmo as mais sofisticadas tentativas de hacking clássico ou quântico.
As implicações para o campo da computação quântica são profundas, pois esses repetidores servem como "blocos de construção" fundamentais para uma arquitetura escalonável. Ao provar que o emaranhamento pode ser estabelecido e mantido por tempo suficiente para purificação e troca, Hao Li e seus colegas forneceram um modelo para redes multi-nós. A capacidade de atingir uma taxa de chave positiva em 101 km sugere que estamos nos aproximando do ponto em que os nós quânticos podem ser colocados em intervalos semelhantes aos atuais hubs de internet clássica, permitindo uma infraestrutura híbrida que transiciona o mundo da comunicação clássica para a segura de forma quântica.
Olhando para o futuro, o foco da pesquisa em computação quântica mudará para a integração desses módulos repetidores nas redes de fibra comerciais existentes. O "próximo passo" para a equipe da USTC e para a comunidade científica em geral envolve a otimização do processo de purificação de emaranhamento para aumentar ainda mais a taxa de chaves secretas e estender a rede para incluir múltiplos nós em uma configuração de malha. À medida que esses sistemas passam de 10 km para 100 km e, eventualmente, para escalas globais, o sonho de uma Internet Quântica segura e interconectada passa do reino da física teórica para a realidade das telecomunicações globais.
- Pesquisa Primária: Um bloco de construção de repetidores quânticos para redes quânticas escalonáveis.
- Autores Principais: Hao Li, Yi Yang, Ye Wang (USTC).
- Marco Principal: Emaranhamento de fibra de 10 km com capacidade assintótica de 101 km.
- Tecnologia: Memórias quânticas de íons aprisionados e conversão de interface de telecomunicações.
- Aplicação de Segurança: Avanço na Distribuição de Chaves Quânticas Independente de Dispositivo (DI-QKD).
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