StruQT - Luz estruturada para tecnologias quânticas

• Processo: 24/08450-0
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa QuTIa em Tecnologias Quânticas - Jovens Pesquisadores
• Data de Início da vigência: 01 de dezembro de 2024
• Data de Término da vigência: 30 de novembro de 2029
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física Geral
• Pesquisador responsável: Rafael Ferreira Pinto do Rego Barros
• Beneficiário: Rafael Ferreira Pinto do Rego Barros
• Instituição Sede: Instituto de Física (IF). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Antonio Zelaquett Khoury ; Breno Marques Goncalves Teixeira ; Gabriel Bié Alves ; Marcelo Martinelli ; Paulo Alberto Nussenzveig
• Bolsa(s) vinculada(s): 25/00093-6 - Construção de fontes de fótons emaranhados para aplicações em comunicações quânticas, BP.DR
• Assunto(s): Óptica quântica
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Quantum Communications | quantum computing | quantum control | Quantum Information | quantum optics | Structured light | Experimental Quantum Optics

Resumo

O estado da arte é Quântico. Quase cem anos após os fundamentos da física quântica começarem a ser construídos, tecnologias quânticas avançam a todo vapor rumo à chamada segunda revolução quântica. O pacote de tecnologias quânticas inclui computadores quânticos, que têm o potencial de superar computadores clássicos em tarefas específicas; comunicações quânticas, que possibilitam canais de comunicação fundamentalmente seguros, independentemente do que as futuras tecnologias possam trazer; sensoriamento e metrologia quânticos, que proporcionam sensibilidade e/ou resolução aprimoradas em medidas específicas, explorando características fundamentais de estados quânticos que são inacessíveis com recursos clássicos; simuladores quânticos, que utilizam sistemas quânticos tratáveis para emular problemas difíceis para computadores clássicos, permitindo novos avanços nas ciências da saúde, química, logística, entre outros. Uma plataforma particularmente versátil para o desenvolvimento de tecnologias quânticas é a luz. A luz viaja rápido e é inerentemente robusta à decoerência através de interações com o ambiente, sendo o portador de informação mais lógico para comunicação quântica segura (QComms). O principal exemplo de QComms baseado em luz é a distribuição de chaves quânticas (QKD), ou seja, a distribuição de chaves criptográficas asseguradas pelos princípios da mecânica quântica. O QKD é, sem dúvida, o ramo mais maduro das tecnologias quânticas, em parte devido à ameaça iminente representada pelos computadores quânticos à privacidade dos dados criptografados por chaves públicas - todos os dados protegidos com criptografia de chave pública podem atualmente ser colhidos para serem decifrados posteriormente quando computadores quânticos (ou computadores clássicos com algoritmos ainda a serem desenvolvidos) estiverem disponíveis. Em contraste, com chaves secretas compartilhadas via QKD, a privacidade é garantida mesmo contra recursos computacionais infinitos.Uma característica importante das plataformas quânticas fotônicas é que a geração, controle e medição dos estados quânticos da luz são campos bem desenvolvidos, aproveitando a maturidade da pesquisa fundamental em óptica quântica e os desenvolvimentos tecnológicos recentes na detecção de sinais quânticos ópticos. Em particular, o crescente campo da luz estruturada trouxe muitos novos insights e desenvolvimentos para a óptica quântica, permitindo a codificação e leitura de informação quântica na estrutura que os campos de luz têm no espaço, tempo e polarização. A luz quântica estruturada está presente em muitas aplicações recentes e notáveis em comunicações quânticas e metrologia, e espera-se que desempenhe um papel importante em potenciais computadores quânticos fotônicos. Neste contexto, fica claro que grandes esforços em direção ao desenvolvimento de tecnologias quânticas baseadas em luz estruturada são não apenas oportunos, mas também estratégicos.Por conta disso, eu apresento a proposta StruQT. Nesta proposta, eu apresento um projeto viável de dois passos para implantar tecnologias quânticas ópticas no estado de São Paulo, explorando a caixa de ferramentas de luz estruturada. Primeiro, proponho estabelecer um laboratório avançado de óptica quântica na Universidade de São Paulo, o QSlab - USP, focado não apenas em pesquisa de prova de princípio sobre luz quântica estruturada, mas também em aplicações reais de soluções de óptica quântica em comunicações quânticas e metrologia. Em segundo lugar, planejo dar início a uma rede quântica híbrida em São Paulo, a QneSP, distribuindo fótons emaranhados através da infraestrutura de fibras ópticas existente, bem como ao longo do horizonte da cidade através de um novo enlaçe aéreo de alcaçe médio. O sucesso da proposta StruQT resultará no início de uma das primeiras infraestruturas de comunicação quântica do país, bem como no estabelecimento de grupo de pesquisa de excelência no campo das tecnologias quânticas ópticas. (AU)