Pesquisa de tecnologia quântica em Chicago pode levar a uma internet mais segura

Pesquisa quântica no laboratório da UChicago pode ajudar a prevenir hackers e conectar futuras redes de supercomputadores

A cabeça do laser (em baixo) e o controlador de laser (em cima) no Laboratório de Computação Quântica do Centro de Pesquisa Eckhart da Universidade de Chicago.
A cabeça do laser (em baixo) e o controlador de laser (em cima) no Laboratório de Computação Quântica do Centro de Pesquisa Eckhart da Universidade de Chicago. (Tyler Glascock do Washington Post)

CHICAGO – O segredo para uma internet mais segura e forte – que pode não ser quebrada – pode estar em um armário no porão que parece apropriado para uma vassoura e um esfregão.

O cubículo de 3 pés de largura, localizado dentro do laboratório da Universidade de Chicago, contém um fino rack de hardware que lança discretamente partículas quânticas em uma rede de fibra óptica. O objetivo: usar os menores objetos da natureza para compartilhar informações sob criptografia indecifrável – e eventualmente conectar uma rede de computadores quânticos capazes de enormes cálculos.

A decoração modesta do Armário de Equipamentos LL211A desmente a importância de um projeto de ponta em uma das competições de tecnologia mais quentes do mundo. NÓS, China e outros estão lutando para explorar as propriedades exóticas das partículas quânticas para processar informações de maneiras novas e poderosas – uma tecnologia que pode trazer benefícios econômicos e de segurança nacional significativos para o país que a domina.

A pesquisa quântica é tão importante para o futuro da internet que está atraindo novos financiamentos federais, incluindo o recentemente aprovado Lei de Chip e CiênciaIsso porque, se for bem-sucedida, a internet quântica poderá proteger transações financeiras e dados de saúde, impedir o roubo de identidade e impedir o rastro de hackers de nações hostis.

Na semana passada, três físicos compartilhado O Prêmio Nobel de Pesquisa Quântica abre o caminho para a Internet do futuro.

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Ainda há muitos obstáculos a serem superados antes que a pesquisa quântica possa ser amplamente utilizada. Mas bancos, empresas de saúde e outros estão começando a experimentar internets quânticas.Algumas indústrias também funileiro Junte-se aos primeiros computadores quânticos para ver se eles podem resolver problemas que os computadores atuais não conseguem, como descobrir novos medicamentos para doenças intratáveis.

Grant Smith, estudante de pós-graduação da equipe de pesquisa quântica da Universidade de Chicago, disse que é muito cedo para imaginar todas as aplicações potenciais.

“Quando as pessoas configuraram pela primeira vez a internet básica conectando computadores de nível de pesquisa e universidades e laboratórios nacionais, elas não podiam prever o comércio eletrônico”, disse ele durante uma recente visita aos laboratórios universitários.

O estudo da física quântica começou no início do século 20, quando os cientistas descobriram que os menores objetos do universo – átomos e partículas subatômicas – se comportavam de maneira diferente da matéria no mundo em grande escala, como em vários lugares ao mesmo tempo.

Conhecidas como a primeira revolução quântica, essas descobertas deram origem a novas tecnologias, como lasers e relógios atômicos. Mas a pesquisa agora está aproximando os cientistas de aproveitar mais as forças especiais do mundo quântico. David Oshalom, professor da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e chefe da equipe quântica, chamou isso de segunda revolução quântica.

O campo, disse ele, está “tentando projetar as maneiras mais fundamentais pelas quais a natureza se comporta em relação ao nosso mundo e usar esses comportamentos para novas tecnologias e aplicações”.

As redes de computadores e comunicação existentes armazenam, processam e transmitem informações dividindo-as em longos fluxos de bits, geralmente pulsos elétricos ou ópticos representando zeros ou uns.

Partículas quânticas, também conhecidas como qubits, ou qubit, podem existir como 0 e 1, ou em qualquer lugar intermediário, uma flexibilidade chamada “superposição” que lhes permite processar informações de novas maneiras. Alguns físicos os comparam a moedas giratórias que são cara e coroa.

Qubits também podem exibir “emaranhamento,” em que duas ou mais partículas estão inextricavelmente conectadas umas às outras e se espelham com precisão, mesmo a grandes distâncias físicas. Albert Einstein chamou esse comportamento de “ação fantasmagórica à distância”.

O hardware do armário está conectado a uma rede de fibra óptica de 124 milhas que se conecta do campus universitário no South Side de Chicago a dois laboratórios financiados pelo governo federal nos subúrbios ocidentais – o Laboratório Nacional de Argonne e o Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi.

A equipe está usando fótons – partículas quânticas de luz – para enviar chaves de criptografia pela rede para ver como eles viajam pelas fibras sob rodovias, pontes e cabines de pedágio. As partículas quânticas são muito frágeis e tendem a funcionar mal ao menor distúrbio, como vibração ou mudanças de temperatura, portanto, enviá-las por longas distâncias no mundo real é complicado.

No armário do porão da universidade, um hardware fabricado pela japonesa Toshiba dispara um par de fótons emaranhados e envia um de cada par por uma rede para Argonne, a 48 quilômetros de distância em Lemont, Illinois. Uma chave de criptografia é codificada em uma sequência de pares de fótons.

Como o par está emaranhado, eles estão perfeitamente sincronizados um com o outro. “De certa forma, você pode pensar neles como uma informação”, disse Awschalom.

Quando os fótons viajantes chegam a Argonne, os cientistas os medem e extraem a chave.

Qualquer pessoa que tente invadir a rede para interceptar as chaves falhará, disse Awschalom, porque as leis da mecânica quântica afirmam que qualquer tentativa de observar uma partícula em um estado quântico muda automaticamente a partícula e destrói a informação que está sendo transmitida. Ele também alerta remetentes e destinatários sobre tentativas de espionagem.

Essa é uma razão pela qual os cientistas acreditam que a tecnologia é tão promissora.

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“Há enormes dificuldades técnicas a serem superadas, mas pode-se dizer que isso pode se tornar tão importante quanto a revolução tecnológica do século 20, que nos deu lasers, transistores e relógios atômicos, daí o GPS e a internet”, disse Steven Gerrard. Steven Girvin , professor de física da Universidade de Yale, falou sobre as últimas descobertas da tecnologia quântica.

No laboratório ao lado do armário, Awschalom e seus colegas estão tentando desenvolver novos dispositivos para ajudar os fótons a transportar informações por distâncias maiores. A sala estava cheia de fotos de equipamentos de laboratório multimilionários, lasers e motores Thomas Tank enquanto um dos instrumentos continuava triturando. “Acho que é por valor cômico”, disse o estudante de pós-graduação Cyrus Zelden.

Um problema que eles estavam tentando resolver: quando minúsculas partículas de luz viajam através das fibras de vidro da rede, defeitos no vidro fazem com que a luz decaia a uma certa distância. Assim, os pesquisadores estão tentando desenvolver dispositivos que possam capturar e armazenar informações à medida que as partículas de luz viajam e depois enviá-las novamente com novas partículas – como o Photon Pony Express.

Para evitar danificar a superfície, Zeledon, usando luvas de látex roxas, ergueu uma pequena placa de circuito contendo dois chips de carboneto de silício que ele e seus colegas estavam testando como um dispositivo para armazenar e controlar informações de qubits. No final do dia, Zeledon planeja resfriar os chips a temperaturas ultra-frias e examiná-los sob um microscópio, procurando qubits que ele implantou nos chips, que ele pode manipular com microondas para trocar informações com fótons.

Em uma manhã recente, do outro lado da rede, o cientista de Argonne Joe Heremans, um ex-aluno de Awschalom, pediu desculpas pelos chocalhos altos que ecoaram em seu laboratório. Onde está a foto de Thomas, seu motor de tanque? “Estamos tentando ser um pouco mais profissionais aqui”, brincou.

Hermans e seus colegas também estão tentando desenvolver novos dispositivos e materiais para ajudar os fótons a transportar informações quânticas por distâncias maiores. O diamante sintético é um material promissor, disse ele, acenando para um reator que produz diamantes à taxa de nanogeleiras por hora.

O financiamento federal vem Lei Nacional de Iniciativa QuânticaAprovado pelo Congresso em 2018 e assinado pelo presidente Donald Trump, recentemente ajudou o laboratório a comprar um segundo reator que produzirá diamantes mais rapidamente.este Lei de Chip e CiênciaAssinado pelo presidente Biden em agosto, está fornecendo suporte adicional para pesquisa e desenvolvimento que apoiarão os esforços quânticos.

Em um canto de seu laboratório, Hermans aponta para uma máquina Toshiba idêntica à da Universidade de Chicago. A partir daí, um emaranhado de fios coloridos transporta sinais pela rede e, depois de sair do laboratório, circula um pequeno círculo sob as vizinhas IKEA e Buffalo Wild Wings, antes de disparar em qualquer direção em direção à universidade e ao Fermilab.

Os cientistas estão experimentando com bancos de testes semelhantes em Boston, Nova York, Maryland e Arizona. Redes experimentais também existem na Holanda, Alemanha, Suíça e China.

O objetivo é um dia conectar todos esses testbeds por meio de links de fibra e satélite a uma internet quântica emergente que abrange os EUA e o mundo. À medida que a rede cresce, pode ser ideal não apenas para enviar informações criptografadas, mas também para conectar computadores quânticos para aumentar seu poder de processamento, assim como a nuvem faz para os computadores atuais.

“A ideia de uma internet quântica está em andamento”, disse Smith.

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