A distribuição de chave quântica (QKD) é uma técnica que permite comunicações seguras entre dispositivos usando um protocolo criptográfico que é parcialmente baseado na mecânica quântica. Em última análise, esse método de comunicação permite que duas partes criptografem e descriptografem as mensagens que enviam uma para a outra usando uma chave exclusiva que é desconhecida das outras partes.
A distribuição de chave quântica independente de dispositivo de medição (MDI-QKD) é um protocolo exclusivo que facilita a criação de redes QKD mais seguras com dispositivos não confiáveis. Este protocolo pode permitir a comunicação baseada em QKD em distâncias mais longas, bem como taxas de produção de chave mais altas e verificação de rede mais confiável.
Até agora, MDI-QKD só foi implementado com sucesso usando fibra óptica. A implementação do protocolo em canais de espaço livre, por outro lado, provou ser um desafio significativo.
Um grupo de pesquisa liderado por Jian-Wei Pan, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, demonstrou recentemente o MDI-QKD de longa distância e seguro em um canal de espaço livre pela primeira vez. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters, pode abrir caminho para implementações MDI-QKD baseadas em satélite.
“O objetivo final do QKD é realizar uma rede quântica de comunicação segura em escala global”, disse Qiang Zhang, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org. “Para atingir esse objetivo ambicioso, dois desafios principais precisam ser enfrentados. Um é reduzir a lacuna entre a teoria e a prática do QKD e o outro é estender a distância do QKD. O objetivo do nosso trabalho recente era resolver essas duas dificuldades.”
Teoricamente, o QKD oferece maior segurança nas comunicações, aproveitando as leis da física. No entanto, imperfeições e vulnerabilidades de dispositivos reais podem resultar em desvios dos modelos usados para realizar análises de segurança. O protocolo MDI-QKD pode ajudar a enfrentar esse desafio fechando todas as lacunas na detecção de uma vez. Além disso, pode melhorar o desempenho e a segurança das implementações de QKD em dispositivos reais, incluindo estados de engodo.
As implementações do QKD baseado em satélite podem estender a distância através da qual essa comunicação segura pode ocorrer, pois permitiriam perdas de transmissão menores e decoerência insignificante no espaço. Ao estender o MDI-QKD de fibra para canais de espaço livre, o trabalho de Pan e seus colegas pode ser um primeiro passo para a implementação de protocolos MDI-QKD em grande escala usando satélites.
“Embora vários experimentos MDI-QKD baseados em fibra tenham sido realizados antes de nosso estudo, nenhum deles demonstrou a viabilidade do protocolo com um canal de espaço livre”, disse Zhang. “A principal razão é que a amplitude e a flutuação de fase induzidas pela turbulência atmosférica tornam difícil manter a indistinguibilidade em termos de modos espaciais, temporais e espectrais entre fótons independentes.”
Como a turbulência atmosférica normalmente destrói o modo espacial entre fótons independentes, as implementações de MDI-QKD normalmente requerem o uso de fibra monomodo para realizar a filtragem espacial antes de aplicar técnicas de interferometria. Usar fibra monomodo para acoplar fótons, entretanto, geralmente leva a uma baixa eficiência de acoplamento e flutuação de intensidade. Para resolver esse problema, os pesquisadores desenvolveram um novo sistema de óptica adaptativa que melhora a eficiência geral do canal.
“Como a rápida flutuação da intensidade da luz torna difícil o compartilhamento da referência de tempo-frequência, desenvolvemos novas tecnologias para alcançar sincronização de tempo de alta precisão e travamento de frequência entre fontes de fótons independentes localizadas distantes, a fim de manter a indistinguibilidade dos modos de temporização e espectrais “, Explicou Zhang. “Graças a esses avanços técnicos, concluímos uma tarefa que parecia impossível de ser concluída antes.”
O estudo é um marco importante no caminho para implementar o QKD em grande escala e usá-lo para proteger as comunicações em distâncias mais longas. Além disso, os pesquisadores foram os primeiros a perceber a interferência de fótons em canais atmosféricos de longa distância. Isso poderia abrir possibilidades interessantes para o desenvolvimento de tipos complexos de processamento de informações quânticas envolvendo interferência quântica, como troca de emaranhamento quântico e teletransporte quântico. Também pode oferecer novas maneiras de testar a interface da mecânica quântica e da gravidade.
O objetivo de longo prazo dos pesquisadores é demonstrar MDI-QKD baseado em satélite e, eventualmente, construir uma rede quântica global. Para conseguir isso, no entanto, eles primeiro precisarão superar uma série de desafios adicionais.
“Um desses desafios é a grande perda induzida principalmente pela flutuação atmosférica”, explicou Zhang. “Na configuração mais direta do MDI-QKD baseado em satélite, um satélite desempenha o papel de terminal de detecção (ou seja, duas estações terrestres enviam fótons através do ‘link ascendente’ para o satélite). A perda de canal medida pelo Micius satélite está a cerca de 41 ~ 52 dB de uma estação terrestre com altitude de 5.100 milhas. A perda é provavelmente muito maior em estações terrestres a uma altitude inferior. A eficiência do acoplamento de fibra monomodo é outra fonte de perda, que também é muito significativa com os sistemas MDI-QKD existentes. ”
Para permitir implementações eficazes de MDI-QKD baseadas em satélite, portanto, os pesquisadores primeiro precisarão avançar os métodos existentes para fazer o trânsito de fótons em canais de espaço livre. Para fazer isso, eles desenvolveram até agora um sistema de óptica adaptativa e um algoritmo que aumenta a eficiência dos canais de espaço livre. Em seus próximos estudos, eles planejam criar outros algoritmos e técnicas para melhorar o canal de transmissão geral.
“O segundo desafio que esperamos superar está associado ao movimento dos satélites”, acrescentou Zhang. “Uma vez que se espera que os pulsos de sinal sejam sobrepostos no domínio do tempo no terminal de detecção, uma previsão muito precisa da órbita de um satélite é necessária, e o tempo de emissão de cada pulso codificado também deve ser cronometrado com precisão, para que eles possam finalmente se sobrepor bem no terminal de detecção. A mudança de frequência Doppler, por outro lado, é uma fonte importante de incompatibilidade de frequência que é irritante para a interferência HOM. A frequência de cada pulso codificado também deve ser alterada com precisão para compensação. Depois de resolver todas essas questões técnicas desafios, acreditamos que seremos capazes de realizar MDI-QKD baseado em satélite. ”
Publicado em 26/01/2021 14h28
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