A comunicação furtiva ficou mais segura, graças ao emaranhamento quântico.
A física quântica fornece uma maneira de compartilhar informações secretas que são matematicamente comprovadas como seguras dos olhos indiscretos de espiões. Mas até agora, as demonstrações da técnica, chamada distribuição de chaves quânticas, baseavam-se em uma suposição: os dispositivos usados para criar e medir partículas quânticas precisam ser considerados perfeitos. Defeitos ocultos podem permitir que um bisbilhoteiro furtivo penetre na segurança sem ser notado.
Agora, três equipes de pesquisadores demonstraram a capacidade de realizar comunicação quântica segura sem confirmação prévia de que os dispositivos são infalíveis. Chamado de distribuição de chave quântica independente de dispositivo, o método é baseado no emaranhamento quântico, uma relação misteriosa entre partículas que liga suas propriedades mesmo quando separadas por longas distâncias.
Na comunicação cotidiana, como a transmissão de números de cartão de crédito pela internet, um código secreto, ou chave, é usado para distorcer as informações, de modo que elas possam ser lidas apenas por outra pessoa com a chave. Mas há um dilema: como um remetente e um receptor distantes podem compartilhar essa chave um com o outro, garantindo que ninguém mais a tenha interceptado ao longo do caminho?
A física quântica fornece uma maneira de compartilhar chaves transmitindo uma série de partículas quânticas, como partículas de luz chamadas fótons, e realizando medições nelas. Ao comparar as notas, os usuários podem ter certeza de que ninguém mais interceptou a chave. Essas chaves secretas, uma vez estabelecidas, podem ser usadas para criptografar as informações confidenciais. Em comparação, a segurança padrão da Internet se baseia em uma base relativamente instável de problemas matemáticos difíceis de resolver para os computadores de hoje, que podem ser vulneráveis a novas tecnologias, ou seja, computadores quânticos.
Mas a comunicação quântica normalmente tem uma pegadinha. “Não pode haver nenhuma falha imprevista”, diz o físico quântico Valerio Scarani, da Universidade Nacional de Cingapura. Por exemplo, ele diz, imagine que seu dispositivo deve emitir um fóton, mas desconhecido para você, ele emite dois fótons. Qualquer falha desse tipo significaria que a prova matemática de segurança não se sustenta mais. Um hacker pode farejar sua chave secreta, mesmo que a transmissão pareça segura.
A distribuição de chaves quânticas independente do dispositivo pode descartar essas falhas. O método se baseia em uma técnica quântica conhecida como teste de Bell, que envolve medições de partículas emaranhadas. Tais testes podem provar que a mecânica quântica realmente tem propriedades “assustadoras”, ou seja, não-localidade, a ideia de que as medições de uma partícula podem ser correlacionadas com as de uma partícula distante. Em 2015, os pesquisadores realizaram os primeiros testes de Bell “sem brechas”, que certificaram sem sombra de dúvida que a natureza contraintuitiva da física quântica é real.
“O teste de Bell funciona basicamente como uma garantia”, diz Jean-Daniel Bancal da CEA Saclay na França. Um dispositivo defeituoso falharia no teste, então “podemos inferir que o dispositivo está funcionando corretamente”.
Em seu estudo, Bancal e seus colegas usaram átomos de estrôncio eletricamente carregados e emaranhados separados por cerca de dois metros. As medições desses íons certificaram que seus dispositivos estavam se comportando corretamente e os pesquisadores geraram uma chave secreta, relata a equipe na Nature de 28 de julho.
Normalmente, a comunicação quântica destina-se a despachos de longa distância. (Para compartilhar um segredo com alguém a dois metros de distância, seria mais fácil simplesmente atravessar a sala.) Então Scarani e seus colegas estudaram átomos de rubídio emaranhados a 400 metros de distância. A configuração tinha o que era necessário para produzir uma chave secreta, relatam os pesquisadores na mesma edição da Nature. Mas a equipe não acompanhou todo o processo: a distância extra significava que a produção de uma chave levaria meses.
No terceiro estudo, publicado no Physical Review Letters de 29 de julho, os pesquisadores disputaram fótons emaranhados em vez de átomos ou íons. O físico Wen-Zhao Liu da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei e colegas também demonstraram a capacidade de gerar chaves, a distâncias de até 220 metros. Isso é particularmente desafiador para os fótons, diz Liu, porque os fótons geralmente são perdidos no processo de transmissão e detecção.
Os testes de Bell sem lacunas já não são uma tarefa fácil, e essas técnicas são ainda mais desafiadoras, diz o físico Krister Shalm, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Boulder, Colorado. conquista impressionante poder demonstrar algumas dessas capacidades”, diz Shalm, que escreveu uma perspectiva na mesma edição da Nature.
Isso significa que a técnica não terá uso prático tão cedo, diz o físico Nicolas Gisin, da Universidade de Genebra, que não esteve envolvido na pesquisa.
Ainda assim, a distribuição de chaves quânticas independente de dispositivos é “uma ideia totalmente fascinante”, diz Gisin. Os testes de Bell foram projetados para responder a uma questão filosófica sobre a natureza da realidade – se a física quântica é realmente tão estranha quanto parece. “Ver que isso agora se torna uma ferramenta que permite outra coisa”, diz ele, “essa é a beleza”.
Publicado em 31/07/2022 18h37
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