Notícias sobre óptica e fotônica

Stewart Wills

Uma equipe de pesquisa da Universidade de Calgary, Canadá, e da Universidade da Flórida Central, EUA, modelaram como naves espaciais próximas em órbita baixa da Terra, equipadas com espelhos para retransmissão de sinal de baixa perda, poderiam servir como “lentes de satélite” em órbita para permitir redes de comunicações quânticas globais. [Imagem: Cortesia de S. Goswami]

Os investigadores e a indústria estão cada vez mais atentos à perspectiva de redes de comunicações globais que tirem partido da segurança oferecida pela tecnologia quântica. Um obstáculo, porém, tem sido a falta de “repetidores quânticos” escaláveis, análogos aos que mantêm os sinais ópticos vivos nas redes clássicas de fibra de longa distância.

Como alternativa, alguns grupos de investigação estão a analisar comunicações quânticas baseadas em satélite, nas quais a informação quântica viajaria em feixes de laser entre naves espaciais em órbita terrestre baixa (LEO). No entanto, mesmo os esquemas de satélite têm as suas armadilhas. A perda de fótons na difração dos feixes de laser, bem como a curvatura da própria Terra, provavelmente limitariam as distâncias realistas de ligações quânticas de alta eficiência entre os satélites LEO a menos de 2.000 km.

Agora, os pesquisadores Sumit Goswami, da Universidade de Calgary, Canadá, e Sayandip Dhara, da Universidade da Flórida Central, EUA, apresentaram uma proposta mostrando como essas armadilhas poderiam ser superadas (Phys. Rev. Appl., doi: 10.1103/PhysRevApplied .20.024048). Sua proposta envolve a retransmissão de delicados sinais quânticos através de uma cadeia de satélites relativamente próximos e em movimento sincronizado. Esses satélites, sugere a dupla, poderiam efetivamente agir “como um conjunto de lentes em uma mesa óptica”, focando e curvando os feixes ao longo da curvatura da Terra e evitando a perda de fótons em distâncias de até 20.000 km – sem a necessidade de repetidores quânticos.

Embora Goswami e Dhara se refiram metaforicamente aos nós em sua proposta de rede quântica totalmente por satélite (ASQN) como lentes de satélite, na realidade a mágica óptica acontece com espelhos, para manter as perdas de fótons relacionadas à absorção a um mínimo absoluto. Em termos simplificados, um determinado satélite da cadeia envia um feixe de luz para o próximo, talvez a 120 km de distância. O próximo satélite captura e reorienta o feixe com um espelho receptor e o reflete de dois espelhos menores para um espelho transmissor final, que retransmite o sinal para o próximo satélite na cadeia.

Segundo a sua proposta, dizem os investigadores, os satélites pouco espaçados actuam efectivamente “como um conjunto de lentes numa mesa óptica”, focando e curvando os feixes ao longo da curvatura da Terra e evitando a perda de fotões devido à difracção.

Em sua modelagem, Goswami e Dhara consideraram uma cadeia de satélites, cada um separado do próximo por 120 km; dada a divergência de feixe esperada na órbita da Terra, isso implica um diâmetro de telescópio de 60 cm para cada satélite. A modelagem da equipe sugere que tal configuração de relé, com o sinal quântico passado de satélite para satélite por reflexão, eliminaria virtualmente a perda de difração em distâncias de 20.000 km.

Com a perda de difração resolvida, Goswami e Dhara analisaram metodicamente outras fontes potenciais de perda no sistema de lentes de satélite. Uma delas óbvia é a perda de reflexão de alguns fótons nos próprios espelhos, que a dupla acredita que poderia ser mantida através de uma configuração que combina grandes espelhos de metal e pequenos espelhos de Bragg de ultra-alta refletividade. Outra fonte de perdas reside em erros de rastreamento e posicionamento dos satélites da cadeia; esses soluços precisariam ser reduzidos ao mínimo para manter os satélites sincronizados entre si.

A última fonte de perda não tem nada a ver com os satélites. Dependendo da arquitetura de comunicação quântica, a informação quântica precisa ser transmitida de e para estações na superfície da Terra. Para sinais ópticos de espaço livre, isso abre a perspectiva de perdas de dados devido à turbulência atmosférica, o que pode aumentar drasticamente o tamanho e a propagação do feixe.