Novo estudo da UTS calcula sinais quânticos da Terra para um satélite

Ao longo do tempo, a ciência costuma transformar o que parecia impossível em algo viável - e um exemplo recente disso vem de um novo estudo que calcula a possibilidade de enviar sinais quânticos da Terra para um satélite, com potencial para viabilizar redes de comunicação quântica maiores e mais potentes.

Já existe a capacidade de transmitir partículas de luz emaranhadas de satélites para estações no solo. O que era visto como impraticável, porém, era fazer o caminho inverso: levar fótons do solo para o espaço. O obstáculo apontado era a dificuldade de manter o sinal suficientemente estável durante o trajeto.

Sinais quânticos da Terra para um satélite: o que o modelo propõe

O trabalho mais recente, conduzido por uma equipa da Universidade de Tecnologia de Sydney (UTS), na Austrália, indica que esse envio em enlace ascendente pode, sim, ser alcançado. A análise parte de um modelo detalhado que usa a troca de emaranhamento e considera fatores como condições atmosféricas prováveis, a posição do satélite e a interferência gerada por fótons dispersos e ruído.

"A ideia é disparar duas partículas únicas de luz de estações terrestres separadas para um satélite orbitando a 500 quilómetros (cerca de 310 milhas) acima da Terra, viajando a cerca de 20.000 quilómetros por hora, para que elas se encontrem com tanta perfeição a ponto de passar por interferência quântica", diz o físico da UTS Simon Devitt.

"Surpreendentemente, a nossa modelagem mostrou que um enlace ascendente é viável. Incluímos efeitos do mundo real, como luz de fundo da Terra e reflexos da luz do Sol na Lua, efeitos atmosféricos e o alinhamento imperfeito de sistemas ópticos."

Por que isso importa para a internet quântica e redes de comunicação quântica

Mas por que isso é relevante? A promessa de uma internet quântica é a criação de redes invioláveis por conceção: no momento em que alguém não autorizado sequer observa os dados, a informação é embaralhada. Partículas emaranhadas, como os fótons, são usadas para validar a comunicação nas duas pontas.

Atualmente, essas chaves secretas podem ser geradas em satélites e depois enviadas ao solo. O envio em direção descendente tende a ser mais simples para manter os fótons estáveis, porque a dispersão atmosférica ocorre no fim da transmissão, e não no início. Além disso, é mais fácil apontar para alvos maiores e fixos no solo do que acertar um satélite em movimento no espaço.

O problema maior é a energia: satélites têm pouca disponibilidade. Já as estações terrestres contam com muito mais potência. Ao deixar as tarefas mais exigentes no solo, seria possível produzir um número muito maior de pares de fótons emaranhados com mais rapidez e, em seguida, transmiti-los para satélites, de onde seriam redistribuídos.

"O satélite só precisa de uma unidade óptica compacta para fazer a interferência dos fótons que chegam e relatar o resultado", diz Devitt, "em vez de hardware quântico para produzir os trilhões e trilhões de fótons por segundo necessários para superar as perdas rumo ao solo, permitindo um enlace quântico de alta largura de banda. Isso reduz custos e tamanho e torna a abordagem mais prática."

Restrições, fidelidade e próximos testes

Ainda assim, há ressalvas importantes. Embora o sistema pudesse, em tese, operar com um elevado nível de fidelidade (o que é essencial para a fiabilidade dos dados), ele só funcionaria à noite, longe da interferência da luz do Sol - e mesmo assim dependeria de calibração cuidadosa. Apesar dessas limitações, trata-se de uma base concreta para avanços futuros.

Uma rede completa de comunicações quânticas ainda está distante, mas o estudo reforça que sistemas de duas vias são, pelo menos, possíveis em termos teóricos. Como próximos passos, os investigadores sugerem testes no mundo real com recetores instalados em drones ou em balões.

"No futuro, o emaranhamento quântico vai ser um pouco como a eletricidade: uma mercadoria sobre a qual falamos e que alimenta outras coisas", diz Devitt.

"Ele é gerado e transmitido de um jeito que muitas vezes é invisível para o utilizador - nós apenas ligamos os nossos aparelhos e o usamos."

A pesquisa foi publicada em Revisão Física: Pesquisa.