Investigadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) desenvolveram uma nova plataforma capaz de gerar pares de ondas de radiofrequência altamente correlacionadas sem necessidade de sistemas de arrefecimento volumosos e dispendiosos. A tecnologia poderá abrir caminho a novas aplicações em comunicações seguras, radares de elevada precisão e sensores baseados em tecnologias quânticas.

A investigação, publicada a 19 de Agosto na revista Nature Electronics, procura ultrapassar um dos principais obstáculos à utilização prática de tecnologias quânticas de microondas: a necessidade de temperaturas extremamente baixas para gerar e controlar sinais quânticos correlacionados.

A equipa do MIT criou um pequeno dispositivo electrónico que consegue produzir este tipo de sinais à temperatura ambiente. O sistema combina uma película magnética com uma cavidade metálica que funciona como um ressonador de microondas. A interacção entre os dois elementos permite dividir um sinal de entrada em dois sinais de saída fortemente correlacionados.

Segundo os investigadores, embora cada um dos sinais possa parecer aleatório quando analisado isoladamente, a relação entre as suas fases mantém-se fortemente correlacionada. Esta característica pode ser explorada em sistemas de comunicação nos quais a informação transmitida só pode ser recuperada através do sinal correspondente.

Comunicações protegidas por sinais correlacionados

Os fotões de microondas são partículas fundamentais dos sinais utilizados nas comunicações sem fios e em sistemas de detecção. Em determinadas tecnologias quânticas, é possível gerar pares de fotões de microondas fortemente correlacionados, que podem ser utilizados para comunicações seguras ou para sistemas de radar capazes de detectar sinais extremamente fracos.

Até agora, uma das formas de produzir estes sinais recorria a circuitos supercondutores, que necessitam de temperaturas extremamente baixas e de equipamentos de criogenia volumosos, caros e consumidores de energia.

A equipa liderada por Luqiao Liu explorou uma abordagem diferente, baseada em fenómenos magnéticos. Ao colocar uma película magnética num ressonador de microondas e controlar cuidadosamente a energia introduzida no sistema, os investigadores conseguiram produzir ondas híbridas de magnões e fotões.

Estas ondas permitem gerar dois sinais sincronizados com frequências de microondas distintas. A diferença de frequência é particularmente importante para aplicações de segurança, uma vez que permite separar os dois sinais e utilizar um deles para transmissão e o outro como elemento necessário à descodificação.

Os investigadores demonstraram o princípio através da codificação de uma pequena imagem na frequência de um dos sinais. A informação foi posteriormente recuperada utilizando o sinal correlacionado correspondente.

A técnica poderá, assim, permitir que a informação seja transmitida de forma que um terceiro interveniente, mesmo que consiga interceptar um dos sinais, não consiga recuperar os dados sem dispor do segundo sinal.

Tecnologia magnética sem criogenia

O dispositivo desenvolvido pelo MIT baseia-se em magnões, pequenos pacotes de energia magnética. Em condições convencionais, a introdução de fotões de microondas num sistema magnético pode gerar pares de magnões correlacionados com a mesma frequência. No entanto, essa característica dificulta a sua separação e utilização em aplicações práticas.

Ao combinar a película magnética com o ressonador de microondas, os investigadores conseguiram criar um sistema híbrido que permite separar os sinais em frequências distintas.

Para Qiuyuan Wang, estudante de doutoramento em Engenharia Eléctrica e Ciências Informáticas no MIT e principal autor do estudo, o trabalho demonstra como as propriedades quânticas dos materiais magnéticos podem ser utilizadas para desenvolver novas tecnologias de comunicação e detecção.

Potencial para radar e sensores

As aplicações da tecnologia não se limitam às comunicações seguras. Os sinais de microondas correlacionados podem também ser utilizados em sistemas de radar e sensores de elevada precisão, incluindo aplicações em que é necessário detectar sinais muito fracos num ambiente com ruído.

A plataforma poderá ainda permitir comunicações mais resistentes ao ruído. Neste cenário, o receptor poderia utilizar a correlação entre os dois sinais para recuperar uma mensagem que tenha sido afectada por dados aleatórios introduzidos durante a transmissão.

Outra área de interesse são os simuladores quânticos. Estes sistemas procuram reproduzir comportamentos e interacções complexas de partículas subatómicas que são difíceis de tratar através de computadores clássicos e estão a ser estudados, entre outras aplicações, para a descoberta de novos medicamentos e materiais.

A possibilidade de gerar sinais correlacionados à temperatura ambiente poderá contribuir para tornar estas plataformas mais simples, escaláveis e menos dispendiosas.

Os investigadores pretendem agora desenvolver uma arquitectura mais escalável para a tecnologia, aproximando-a de uma eventual utilização em aplicações reais. A equipa pretende igualmente estudar outras utilizações do processo e aprofundar o conhecimento sobre a física dos sinais de microondas correlacionados.

Can-Ming Hu, professor de Física e Astronomia da University of Manitoba, que não participou no estudo, considera que o trabalho poderá ter impacto em áreas como comunicações seguras por microondas, geração de números aleatórios por hardware, processamento de sinais baseado em correlação e sistemas inteligentes de detecção por microondas.

O estudo foi apoiado, entre outras entidades, pela National Science Foundation e pelo U.S. Department of Energy.