(Imagem: © Universidade de Ciência e Tecnologia da China)
Mensagens quânticas indecifráveis agora podem ser enviadas pelo ar e em breve serão enviadas ao espaço.
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) trabalharam em 2018 como compartilhar secretamente “chaves quânticas” entre satélites em órbita e estações terrestres, como o Live Science relatou anteriormente. Isso tornou a conexão entre o satélite chinês Micius e três locais terrestres com os quais ele se comunica na Europa e na Ásia, de longe, a maior rede quântica segura do mundo. Mas a ferramenta de sigilo quântico que Micius usou originalmente tinha alguns vazamentos, exigindo que os cientistas desenvolvessem uma forma mais avançada de criptografia quântica conhecida como distribuição de chave quântica independente de dispositivo de medição (MDI-QKD). Agora, esses mesmos pesquisadores, pela primeira vez, retiraram MDI-QKD sem fio, em uma cidade na China, sem nenhuma fibra óptica envolvida. E eles estão se preparando para enviar MDI-QKD para Micius.
“Os resultados do grupo chinês [são] muito interessantes para a comunidade da comunicação quântica”, disse Daniel Oblak, pesquisador de comunicações quânticas da Universidade de Calgary em Ontário que não trabalhou no experimento.
Isso abre a porta, disse ele, para redes criptografadas quânticas práticas que contam com satélites e cabos de fibra óptica trabalhando em conjunto, algo que não é possível com a tecnologia atual.
Mensagens Quantum-Secure
Todos os dados seguros que você já enviou do seu telefone – instruções para o seu banco através de um aplicativo móvel, por exemplo, ou mensagens do Whatsapp com sua mãe – foram transmitidos para distâncias enormes cheias de hackers em potencial. Mas qualquer bisbilhoteiro que estivesse ouvindo provavelmente não conseguiria entender aquela informação porque ela foi transformada em um jargão que só poderia ser decifrado com uma chave segura, basicamente uma longa sequência de números. Essa sequência de números é embaralhada com as informações que protege, e apenas alguém que conhece a sequência pode decodificá-los.
Esses sistemas não são perfeitos, porém, vulneráveis a ataques de qualquer pessoa que tenha ouvido quando a chave estava sendo compartilhada. Eles também não costumam usar sequências de números suficientemente longas para ficarem perfeitamente seguros, mesmo contra alguém que não ouviu a chave, de acordo com o livro do criptógrafo belga Gilles Van Assche “Quantum Cryptography and Secret-Key Distillation” (Cambridge University Press , 2006).
Então, na década de 1980, os pesquisadores desenvolveram um método teórico para gerar chaves seguras usando a mecânica quântica. Eles descobriram que as chaves seguras podiam ser codificadas nas propriedades quânticas de partículas individuais e trocadas secretamente de um lado para outro. A vantagem dessa “distribuição de chave quântica” (QKD) é que a física quântica determina que o próprio ato de observar uma partícula a altera irreparavelmente. Portanto, qualquer espião que tentasse interceptar a chave quântica poderia ser imediatamente detectado pelas mudanças nas partículas.
Protegendo o cofre quântico
Nos últimos anos, quando os pesquisadores começaram a construir protótipos de redes de distribuição de chaves quânticas usando fótons (partículas de luz), uma falha importante apareceu no sistema – “ataques de canal lateral” poderiam desviar cópias de uma chave quântica diretamente do receptor e um estudo publicado em 2012 na revista Physical Review Letters mostrava isso.
Assim, os pesquisadores desenvolveram o MDI-QKD, chamando-o naquele artigo de 2012 de “uma solução simples para remover todos os canais laterais do detector (existentes e ainda a serem descobertos)”.
No MDI-QKD, tanto o remetente quanto o receptor de uma mensagem enviam seus fótons-chave quânticos ao mesmo tempo (bem como iscas) para um terceiro. Cada fóton contém um único bit de informação: um ou zero. O terceiro não precisa ser seguro e não pode ler as informações que os fótons transmitem.
“Tudo o que podemos dizer é a relação entre os fótons”, disse Wolfgang Tittel, um especialista em comunicações quânticas da QuTech, uma colaboração entre a Delft University of Technology na Holanda e a Organização Holandesa para Pesquisa Científica Aplicada. Pode apenas dizer “se são iguais ou diferentes”.
Quando o emissor e o receptor enviam um ou zero, eles recebem uma mensagem do relé dizendo que enviaram o mesmo bit. Se enviarem números diferentes, o relé transmite que eles enviaram números diferentes. Um hacker que espionava o relé só poderia dizer se os fótons eram iguais ou diferentes, mas não se representavam um ou zero.
“Mas é claro que as pessoas que enviaram os estados sabem o que enviaram, então eles sabem o que a outra pessoa enviou”, disse Tittel ao Live Science.
Todos esses uns e zeros somam uma chave quântica segura, e não há como um hacker saber o que é.
Mas o MDI-QKD tem seus próprios desafios, disse Tittel, que não estava envolvido neste último experimento. Requer que ambos os fótons cheguem ao relé precisamente ao mesmo tempo.
“Descobrimos que isso é difícil por causa das mudanças na temperatura do dispositivo”, disse ele, o que pode atrapalhar o tempo.
E isso está usando cabos de fibra óptica dedicados. O envio de fótons pelo ar exige a contabilização da turbulência atmosférica, o que torna o tempo ainda mais imprevisível.
É por isso que o novo experimento é tão impressionante, disse Tittel. Embora a China tenha feito QKD padrão com Micius desde 2018, ninguém tinha até agora descoberto como fazer o sistema de criptografia mais inquebrável em longas distâncias sem cabos de fibra óptica para transportar os fótons de um lado para outro.
No novo estudo, os pesquisadores enviaram uma chave segura MDI-QKD por 11,9 milhas (19,2 quilômetros) de ar aberto entre dois edifícios na cidade de Hefei. Para garantir que os fótons chegassem ao relé exatamente ao mesmo tempo, eles desenvolveram algoritmos que permitiam que os dispositivos emissor e receptor considerassem as flutuações naquele trecho da atmosfera.
Levar o MDI-QKD ao espaço exigirá mais resolução de problemas, incluindo algoritmos melhores que podem levar em conta as distâncias ainda maiores envolvidas.
“O segundo desafio que esperamos superar está associado ao movimento dos satélites”, disse Qiang Zhang, um dos autores do artigo, ao Phys.org.
Um alvo em movimento altera o comportamento dos fótons de maneiras que devem ser explicadas com muita precisão para que o sinal tenha sentido.
Tittel disse que o movimento do satélite torna o MDI-QKD “muito difícil”, mas que é plausível que a equipe do USTC o faça.
Se o fizerem, terão desenvolvido uma rede quântica indecifrável por qualquer método conhecido de quebra de código. Seria a rede de comunicação de longa distância mais segura do mundo.
Publicado em 03/02/2021 08h57
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