Centro Quântico Duke e IonQ demonstram emaranhamento tripartite de qubits atômicos remotos

De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores do Centro Quântico Duke (Duke Quantum Center) e da IonQ demonstraram a geração distribuída de estados Greenberger-Horne-Zeilinger (estados GHZ) utilizando íons individuais aprisionados em uma rede quântica de três nós. O aparato experimental consiste em três módulos de hardware espacialmente separados, distantes cerca de 2 metros entre si, conectados por fibras ópticas monomodo de 3 metros a um gerador centralizado de estados GHZ em espaço livre. Esta rede realizou emaranhamento tripartite remoto sem a necessidade de portas quânticas locais de dois qubits ou protocolos de pós-seleção, estabelecendo fidelidades de estado atômico entre 0,841(17) e 0,881(17) a uma taxa de geração de emaranhamento de 0,095(5) s⁻¹.

Cada nó de hardware isola um único qubit de íon ¹³⁸Ba⁺ (bário) confinado em uma armadilha de Paul de quatro hastes. Um campo magnético estático de 4,2446(2) G remove a degenerescência do estado fundamental, definindo os níveis de qubit Zeeman ∣↓⟩ e ∣↑⟩ com uma frequência de divisão ω₀=2π×11,8964(5) MHz. Um pulso de laser de 3 picossegundos excita simultaneamente os íons, desencadeando uma sequência de emissão espontânea em 493 nm que gera estados emaranhados íon-fóton com fidelidade média de 0,983(1). Os fótons únicos emitidos são transmitidos através de uma rede de fibras ópticas para o gerador centralizado, onde um conjunto de placas de onda alinha suas polarizações para uma base horizontal/vertical compartilhada, antes de serem interferidos aos pares em divisores de feixe polarizadores. A detecção de tripla coincidência em seis fotodiodos de avalanche apaga a informação do "caminho percorrido" pelo fóton, anunciando o estado emaranhado da memória atômica alvo.

A análise das restrições operacionais do sistema indica que as principais fontes de infidelidade de estado são a mistura de polarização (0,037) e o desalinhamento de modo espacial (<0,03). A descoerência motional induzida pelo recuo do fóton dentro da janela de anúncio de 50 nanossegundos contribui com uma infidelidade adicional de 0,03, enquanto a configuração de preparação e medição de estado (SPAM) introduz uma taxa de erro de 0,015. As eficiências líquidas de coleta de fóton único de ponta a ponta (p_i) para os três nós variam de 0,0074 a 0,0145. Essas limitações de eficiência são determinadas pela deriva no acoplamento da fibra óptica e pelo aquecimento por recuo acumulado durante ciclos de emaranhamento repetidos de 1 microssegundo, exigindo atualmente interrupções periódicas para resfriamento Doppler.

Esta rede de três nós foi utilizada para realizar um teste determinístico de não-localidade quântica através da medição do parâmetro de Mermin de 3,203(45), violando o limite clássico de variáveis ocultas locais ≤2 por 27 desvios padrão. O estado do qubit foi analisado transferindo a população do estado ∣↓⟩ para o nível alvo ²D_5/2 através de um pulso π de laser em 1762 nm, seguido por imageamento de fluorescência sob iluminação combinada em 493 nm e 650 nm. Devido à alta eficiência de leitura de estado dos íons aprisionados (>99,7%), o experimento fechou a brecha de detecção. Isto representa a verificação da violação da desigualdade de Mermin em múltiplos nós utilizando memórias atômicas remotas e individualmente endereçáveis, em vez de fótons puros ou meios de ensemble.

A realização do emaranhamento tripartite totalmente distribuído delineia um caminho de engenharia para sistemas de computação quântica modulares. Este modelo de infraestrutura não tenta expandir a capacidade de processamento dentro de uma única cavidade de vácuo monolítica, mas sim conecta diferentes nós de processamento quântico localizados através de interconexões fotônicas para distribuir a carga de trabalho computacional. A geração pronta para uso desses estados distribuídos estabelece uma estrutura fundamental para protocolos criptográficos multipartidários, compartilhamento seguro de segredos quânticos e redes de sensoriamento quântico distribuído utilizando nós atômicos interconectados.