Internet Quântica: Mito, fake ou ciência?
O que é a internet quântica?
Antes de começar a falar sobre Internet Quântica, vamos entender, de maneira bem simples, o que é a internet ‘‘clássica”.
Sistemas conectados e a internet que conhecemos
A internet é uma rede de comunicação, e como toda rede de comunicação é essencialmente formada por dois elementos básicos: nós (elementos encarregados de processar a informação) e um conjunto de ligações (meio por onde a informação flui entre os nós). Podemos ainda pensar na internet como um grande sistema conectado, em que os elementos dessa rede só conseguirão se "conversar" caso exista algum canal de comunicação entre eles.
Quando a rede é pequena, conseguimos entender bem e descrever todos os elementos individualmente. Podemos até controlar as conexões por onde informação flui. Dessa forma, somos capazes de ter uma descrição completa do nosso sistema. Acontece que hoje temos redes de comunicação globais e a dimensão e extensão desses redes torna impossível olhar para os elementos individualmente e tudo que importa é o Comportamento Coletivo da Rede, ou seja, as suas propriedades estatísticas.
Na figura acima podemos ver uma amostra da nossa Internet clássica (os dados reais são disponibilizados no link acima). Os grandes pontos que aparecem na figura seriam, por exemplo, servidores/supercomputadores que possuem um número muito grande de conexões com outros elementos da rede (por isso seu tamanho é maior). Enquanto que os outros dispositivos da redes são praticamente sem dimensão, significando que possuem um número muito pequeno de ligações na rede (possivelmente estão diretamente conectados a apenas um outro dispositivo).
Conhecendo o número de nós da rede, bem como todos os pares de conexões entre esses elementos, somos capazes de gerar a figura acima. Além disso, ao ter essas informações podemos calcular várias outras propriedades que nos ajudarão a entender como essa rede evolui. Podemos, por exemplo, calcular como estão distribuídas as ligações na Internet.
O gráfico acima mostra a probabilidade P(k) de encontrar um dispositivo na Internet que esteja conectado a k outros. Ou seja, a probabilidade de encontrar um dispositivo que tenha apenas uma conexão (k = 10⁰ = 1) é altíssima, enquanto que encontrar dispositivos altamente conectados é muito raro, P(k>>1) ~ 0.000001.
Redes com esse tipo de comportamento (muita gente com pouca conexão e pouca gente com muita conexão) é o que dá origem às redes livres de escala ou Scale free networks. E a internet clássica é uma dessas redes.
Outros sistemas que podem ser estudados como uma grafo (rede)
Redes sociais
Redes de Aeroportos
Informação — sequências binárias
A linguagem que o computador entende é a linguagem binária (0s e 1s). Não importa que tipo de informação você está enviando ou recebendo, toda informação é codificada em bits e então decodificada para que consigamos entendê-la. Por exemplo, ao digitar a palavra Quantum no seu computador, o que você está enviando para o pc é a sequência mostrada abaixo, onde o zero indica a ausência de passagem de corrente elétrica e o 1 a passagem de corrente.
Quantum -> 01010001 01110101 01100001 01101110 01110100 01110101 01101101
Uma maneira de criar sequências binárias é utilizando pulsos de luz (em fibras óticas) ou controlando a passagem de corrente elétrica (nos transistores).
A internet e a rede de fibras óticas
Considere agora uma rede em que os dispositivos estejam conectados apenas por fibras óticas. Nesse caso, a informação transferida entre diferentes dispositivos viaja através dessas fibras em forma de pulsos de luz. A ausência de pulso representa o bit 0 e a presença o bit 1 de informação.
Se temos acesso a todos os dispositivos e como eles estão conectados, podemos, por exemplo, estudar qual que seria a rota ótima a ser escolhida em uma transmissão de mensagem.
Mas e quando não temos dados disponíveis pra estudar uma determinada rede de comunicação?
Ainda assim é possível estudar esse sistema?
Quando não temos dados para estudar uma rede a melhor proposta é Criar um Modelo. Foi isso que nós fizemos em nossos trabalhos sobre a internet quântica baseada em fibras publicado na PRL e baseada em satélites publicado na PRX Quantum.
Mas então como construir o modelo pra internet quântica?
A internet quântica também é uma rede de comunicação. No entanto, os canais de comunicação são estados quânticos emaranhados e a informação enviada por meio desses canais também é quântica (o qubit).
Suponha que tenhamos um rede de dispositivos conectados por fibras, como mostrado na figura abaixo.
Para construir nosso modelo seguimos os seguintes passos:
- Pegamos dois pontos conectados por uma fibra ótica.
- Tentamos enviar um fóton emaranhado de A para B.
- Se o fóton chegar em seu destino temos um estado emaranhado compartilhado entre as partes A e B, e portanto temos um canal quântico de comunicação.
A mecânica quântica possui muitas propriedades estranhas, uma delas é o emaranhamento. E é essa a propriedade que é utilizada para criar canais quânticos de comunicação que nos permitirá enviar informação de maneira completamente segurança.
No entanto, a mecânica quântica não permite a clonagem da informação. Isso significa que a informação quântica não pode ser copiada. E esse é um dos principais desafios da comunicação quântica. Enviar informação entre duas partes que não compartilhem diretamente um estado emaranhado, pode ser feita utilizando uma operação conhecida como entanglement swapping.
Uma vez encontrado o menor caminho entre A e B a ideia é realizar realizar essas operações de tal maneira a criar estados emaranhados entre A-i, A-j, …, até obter um estado emaranhado entre A-B. O problema é que quanto maior número de entanglement swappings (quanto maior o tamanho do caminho entre A e B), pior a qualidade do estado emaranho final entre eles, o produz um canal ruim de comunicação.
O que falta para termos uma internet quântica?
Vários estudos e experimentos já comprovaram que é possível enviar fótons emaranhados através de fibras óticas e, por meio desse canal, enviar informação. A questão é: será que a estrutura de fibras óticas existentes suportaria a criação de uma internet quântica global?
A resposta que demos a essa pergunta foi: NÃO. E o motivo para isso é que fótons emaranhados não conseguem viajar muito longe (em média 100km) e acabam sendo absorvidos pela fibra. Uma vez que o fóton não chega ao seu destino, não temos um estado emaranhado conectando duas partes distantes, e consequentemente, não temos um canal seguro de comunicação. Isso significa que enviar fótons emaranhados em fibras de grande extensão não é eficiente. Pra comunicar partes que estejam muito distantes seria necessário utilizar caminhos intermediários (em média fibras de no máximo 100km). E é aí que entra a figura abaixo
Imagine que queremos enviar uma mensagem entre duas partes que estejam em lados opostos. Como podemos, o caminho entre é maior entre nós (número de nós intermediários) na rede de fibras do que na rede utilizando satélites distribuidores de emaranhamento. Lembre que um caminho grande implica em aumentar o número de entanglement swappings o que induz um ruído no estado emaranhado final.
O que isso significa?
Usar fibras óticas para criação de uma internet quântica global não parece ser a forma mais apropriada. Em outro estudo mostramos que o uso de satélites distribuidores de emaranhamento trarão uma maior possibilidade de escalabilidade dessa tecnologia.
Quais os benefícios que Internet Quântica trará?
Segurança troca de informação na rede é sem sombra de dúvidas um dos maiores benefícios. A mecânica quântica nos garante que é impossível hackear a informação na rede. O ato de tentar "espiar" a mensagem, irá destruí-la.
A Internet Quântica já existe?
Esse rede já está em construção e um primeiro protótipo foi criado na China recentemente. A rede de comunicação quântica da China possui 4600km de extensão e conta com integração de empresas, idústria financeira e outros setores.
Convido você a dar uma olhada na publicação abaixo:
A revolução quântica está apenas começando!
