A criptografia quântica é uma das tecnologias quânticas mais promissoras de nosso tempo: exatamente a mesma informação é gerada em dois locais diferentes, e as leis da física quântica garantem que nenhum terceiro possa interceptar essa informação. Isso cria um código com o qual as informações podem ser perfeitamente criptografadas.
A equipe do Prof. Marcus Huber do Atomic Institute of TU Wien desenvolveu um novo tipo de protocolo de criptografia quântica, que agora foi testado na prática em cooperação com grupos de pesquisa chineses: Embora até agora um fóton normalmente usado que pode estar em dois estados diferentes, a situação aqui é mais complicada: oito caminhos diferentes podem ser percorridos por cada um dos fótons. Como a equipe já pôde mostrar, isso torna a geração da chave criptográfica quântica mais rápida e também significativamente mais robusta contra interferências. Os resultados foram publicados na revista científica Physical Review Letters.
Dois estados, duas dimensões
“Existem muitas maneiras diferentes de usar fótons para transmitir informações”, diz Marcus Huber. “Muitas vezes, os experimentos se concentram na polarização de seus fótons. Por exemplo, se eles oscilam horizontal ou verticalmente, ou se estão em um estado de superposição mecânica quântica em que, em certo sentido, assumem os dois estados simultaneamente. Semelhante a como você pode descrever um ponto em um plano bidimensional com duas coordenadas, o estado do fóton pode ser representado como um ponto em um espaço bidimensional. ”
Mas um fóton também pode transportar informações independentemente da direção da polarização. Pode-se, por exemplo, usar as informações sobre o caminho que o fóton está percorrendo no momento. É exatamente isso que agora foi explorado: “Um feixe de laser gera pares de fótons em um tipo especial de cristal. Existem oito pontos diferentes no cristal onde isso pode acontecer”, explica Marcus Huber. Dependendo do ponto em que o par de fótons foi criado, cada um dos dois fótons pode se mover ao longo de oito caminhos diferentes – ou ao longo de vários caminhos ao mesmo tempo, o que também é permitido de acordo com as leis da teoria quântica.
Esses dois fótons podem ser direcionados para lugares completamente diferentes e analisados lá. Uma das oito possibilidades é medida, completamente ao acaso – mas como os dois fótons estão emaranhados fisicamente quânticos, o mesmo resultado é sempre obtido em ambos os lugares. Quem quer que esteja no primeiro dispositivo de medição sabe o que outra pessoa está detectando no segundo dispositivo de medição – e ninguém mais no universo pode obter essa informação.
Oito estados, oito dimensões
“O fato de usarmos oito caminhos possíveis aqui, e não duas direções de polarização diferentes como normalmente é o caso, faz uma grande diferença”, diz Marcus Huber. “O espaço de possíveis estados quânticos torna-se muito maior. O fóton não pode mais ser descrito por um ponto em duas dimensões, matematicamente ele agora existe em oito dimensões.”
Isso tem várias vantagens: Primeiro, permite que mais informações sejam geradas: a 8307 bits por segundo e mais de 2,5 bits por par de fótons, um novo recorde foi estabelecido na geração de chaves de criptografia quântica baseada em emaranhamento. E em segundo lugar, pode-se demonstrar que isso torna o processo menos suscetível a interferências.
“Com todas as tecnologias quânticas, você tem que lidar com o problema da decoerência”, diz Marcus Huber. “Nenhum sistema quântico pode ser perfeitamente protegido de distúrbios. Mas se entrar em contato com distúrbios, então pode perder suas propriedades quânticas muito facilmente: os emaranhados quânticos são destruídos.” Estados quânticos de dimensão superior, no entanto, têm menos probabilidade de perder seu emaranhamento, mesmo na presença de distúrbios.
Além disso, sofisticados mecanismos de correção de erros quânticos podem ser usados para compensar a influência de perturbações externas. “Nos experimentos, luz adicional foi ligada no laboratório para causar distúrbios deliberadamente – e o protocolo ainda funcionou”, diz Marcus Huber. “Mas apenas se realmente usássemos oito caminhos diferentes. Pudemos mostrar que, com uma mera codificação bidimensional, uma chave criptográfica não pode mais ser gerada neste caso.”
Em princípio, deve ser possível melhorar o novo protocolo de criptografia quântica, mais rápido e confiável, usando graus de liberdade adicionais ou um número ainda maior de caminhos diferentes. “No entanto, isso não apenas aumenta o espaço de estados possíveis, mas também se torna cada vez mais difícil em algum ponto ler os estados corretamente”, diz Marcus Huber. “Parece que encontramos um bom compromisso aqui, pelo menos dentro do alcance do que é tecnicamente possível atualmente.”
Publicado em 25/09/2021 09h13
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