Um dos emergentes usos para fótons singulares é agrupá-los com informação quântica e mandá-los para outra localidade. Esta técnica, conhecida como comunicação quântica, explora as leis da Física para certificar-se de que a informação não pode ser lida por um intrigueiro.
Um desafio é encontrar formas de mandar esta informação quântica ao redor do mundo. Isto é difícil porque a informação é fraca, qualquer interação entre os fótons e seu entorno o destroem. Fótons não podem propagar-se por mais que 100 quilômetros de distância através da atmosfera ou através de fibras óticas sem que a informação quântica que carregam seja destruída.
Então, físicos chineses apareceram com uma solução: focar uma luz de fótons a um satélite orbitante, que retransmite-os para outra localidade na superfície da Terra. Nesta forma, a passagem desconfortável através da atmosfera pode ser minimizada. Se fótons são transmitidos de estações terrenas em alta altitude, sua jornada é, em maior parte, no vácuo do espaço vazio.
Mas tem um problema. A comunicação quântica requer detectores que possam localizar e medir fótons únicos. Nos anos recentes, físicos desenharam e construiram dispositivos ainda mais sensíveis que podem fazer isto.
No entanto, esta sensitividade os torna vulneráveis a qualquer tipo de ruido de fundo, que pode sobrecarregar o sinal dos fótons em si. E o espaço é preenchido com ruido indesejado na forma de partículas de alta energia, extremas temperaturas e luz exterior de fontes como o Sol.
Construir detectores de fóton singular que podem operar neste ambiente é um desafio considerável. Enão, não é surpresa nenhuma que os físicos estejam coçando suas cabeça para descobrir o que fazer com este problema.
Hoje, Meng Yang e seus colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei disseram que resolveram o problema. Eles testaram, inclusive, a máquina nos últimos dois anos em um satélite orbitante e disseram que está a funcionar bem.
O detector da equipe explora um fenômeno conhecido como 'quebra em avalanche', que ocorre em circuitos de semicondutores em circunstâncias especiais. Um semicondutor tal como o de silício conduz corrente elétrica na forma de elétrons livres e buracos que podem se mover através da grade material sob influência de um campo elétrico.
Em circunstâncias normais, estas carregadoras carregadas estão limitadas às grades e, portanto, não podem se mover. Nestas circunstâncias, o material age como um isolante.
Mas se o elétron for liberado, talvez por flutuações térmicas ou um ímpeto de um fóton incidente, pode propagar pela estrutura, criando uma corrente. Nestas circunstâncias, o material se torna condutor.
É claro, um elétron único libertado desta forma cria uma pequena corrente que é difícil de detectar. Então o truque com a quebra em avalanche é arranjar uma voltagem que rapidamente acelere um elétron livre para velocidades suficientemente altas para que derrubem outros elétrons conduzentes a liberdade. Isto cria uma reação em cadeira, uma avalanche, que resulta em uma corrente muito maior e mais facilmente detectável.
Nos anos recentes, físicos fizeram estes dispositivos tão sensíveis que um singular fóton de um comprimento de onda específico pode realizar este tipo de avalanche. O resultado é um detector de fóton único capaz de encontrar a maioria dos fótons que o atinjam.
No entanto, esta sensitividade vem com um preço. É fácil observar como uma partícula de alta energia pode rasgar por entre um fotodíodo de silício, liberando elétrons e realizando uma avalanche. E, no espaço, este tipo de efeito cria tanto ruído de fundo, chamado de taxa de contagem escura, que pantana o sinal dos fótons que os físicos pretendem medir.
Então, o serviço de Yang e companhia era de encontrar formas de proteger e melhorar a performance dos detectores comerciais de fóton único para que pudessem operar no espaço.
O primeiro conserto foi direto, cercar o detector com escudos que bloqueiam partículas de alta energia. Este é um delicado ato de equilíbrio porque a escudagem é pesada e portanto cara de se pôr em órbita. A interação entre a escudagem e as partículas de alta energia pode também criar chuvas de partículas secundárias que torna a taxa de contagem escura ainda pior.
Yang e companhia decidiram estabelecer um escudo consistindo de duas camadas. A camada exterior é de uma grossura de alumínio de 12 milimetros, e a camada interior é uma Lãmina de 4 milimetros do elemento muito mais denso e pesado tântalo. O escudo resultante reduz a dosimetria de radiação por um fator de 2,5.
Esta escudagem também age como um isolante térmico, que permite a equipe esfriar os detectores até temperaturas de -15ºC. Isto também reduz a taxa de contagem escura por minimizar as flutuações térmicas do detector de silício.
Finalmente, a equipe desenvolver dispositivos eletrônicos que desligam os detectores durante períodos nos quais estejam vulneráveis ao ruído de fundo, uma técnica conhecida como resistência pós-pulso.
O efeito de todos estes métodos foi significante. Para detectores de fóton único desprotegidos, a taxa de contagem escura esperada é de 200 contagens por segundo. Isto é muito alto para a comunicação quântica no espaço.
No entanto, os detectores modificados tem uma taxa de contagem escura de apenas 0,54 contagens por segundo. Isso é de duas ordens de magnitude melhor.
Em 2016, Yang e companhia lançaram seus detectores a bordo do satélite chinês Micius, um demonstrador de tecnologia quãntica que aumentou em nível uma impressionante série de descobertas. Por exemplo, os detectores foram um componente chave em teletransportar o primeiro objeto da Terra para a órbita, um fóton único, em 2017. O satélite também permitiu a primeira vídeochamada quanticamente encriptada entre continentes.
Estes experimentos organizaram a cena para uma nova geração de comunicação quântica baseada no Espaço. "Nosso detector de fóton único abre novas janelas de oportunidade para pesquisa espacial e aplicações de comunicações óticas de espaço profundo, alcance de laseres de fóton único, tanto como para testar os princípios fundamentais da física no espaço" disse Yang e companhia.
Entrementes, o resto do mundo da física quântica observou isto com inveja. A China claramente liderou em comunicação quântica baseada no Espaço, mesmo que com a ajuda de pesquisadores europeus em áreas chave.
A Europa está trabalhando num demonstrador de tecnologia quântica orbitante chamado de "Missão de Segurança e Criptografia" ou SAGA. Isto é parte de um plano muito maior de criar uma rede de comunicação quântica através do continente. No entanto, ainda não há data de lançamento.
Por contraste, os planos estadounidenses congelaram. Em 2012, a agência de pesquisa de tecnologia militar DARPA começou um programa chamado Quiness para teste tecnologias de comunicação quântica no Espaço. Mas o programa, e o campo em geral, sofreram de falta de recursos.
Uma importante questão agora é como o resto do mundo, particularmente os Estados Unidos, pretende alcançar os chineses.
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