Um esquema de “compartilhamento de segredo quântico” que permite que 10 partes compartilhem informações com segurança – o maior número até agora – foi desenvolvido e demonstrado por pesquisadores na África do Sul. O protocolo envolve cada parte realizando operações quânticas no fóton sem medir seu estado e a equipe diz que isso pode ajudar a aumentar a taxa na qual os dados são compartilhados em redes quânticas seguras e quantas partes podem estar envolvidas no compartilhamento.
No protocolo original de distribuição de chave quântica (QKD), duas partes, conhecidas como Alice e Bob, se comunicam trocando fótons polarizados em uma das duas bases possíveis em um link não confiável, cada um variando a base de polarização de seu transmissor ou receptor aleatoriamente. No final da transmissão, Alice e Bob revelam um ao outro qual base eles usaram para medir os fótons enviados e recebidos, mas não o resultado das medições. Alice e Bob então anunciam seus resultados para uma amostra dos fótons em que mediram na mesma base de polarização, para verificar se a polarização emitida sempre está de acordo com a recebida. Se isso acontecer, eles podem usar os fótons restantes medidos na mesma base para formar uma chave de criptografia segura que permite que eles se comuniquem com segurança usando a tecnologia de telecomunicações convencional. Um terceiro que intercepta os fótons inevitavelmente perturba seu estado, então algumas das medições de Alice e Bob discordam e eles sabem que a linha está grampeada.
“OAM é como um dado de lados infinitos”
Embora os sistemas QKD comerciais estejam disponíveis, o protocolo tem suas deficiências. Uma é que a polarização de fótons tem apenas dois estados ortogonais. Eles são tradicionalmente usados para representar 1 e 0, como em um fluxo de bits convencional. Dada a dificuldade técnica de enviar e detectar fótons isolados isolados, no entanto, é altamente desejável incluir mais informações em cada fóton. Na nova pesquisa, portanto, Andrew Forbes e colegas da Universidade de Witwatersrand em Joanesburgo codificaram os dados não na polarização do fóton, mas em seu momento angular orbital (OAM) – que pode, em princípio, ser infinitamente grande. “A polarização tem apenas duas possibilidades, assim como uma moeda, que só pode ser cara ou coroa”, explica Forbes, “OAM é como um dado de lados infinitos.”
Um segundo problema é que o protocolo tradicional permite apenas a comunicação entre pares. “Assim que o receptor faz a medição, o fóton é destruído”, explica Forbes. “Fundamentalmente, não há como estender essa rede para além de apenas duas pessoas. Claro, a pessoa que recebeu poderia repetir todo o exercício, mas não é assim que as redes normais funcionam. Você gostaria de poder enviar suas informações para várias pessoas … e gostaria que elas só pudessem descriptografá-las se você confiar nelas.”
Para resolver essa lacuna, Forbes e colegas criaram um esquema de “passagem pelo pacote” pelo qual fótons em uma sobreposição de 11 possíveis estados OAM poderiam ser enviados sequencialmente entre 10 partes, eventualmente chegando de volta ao remetente original. Cada parte executa uma ou mais de um conjunto de operações predefinidas possíveis no OAM do fóton, mas nenhuma delas mede seu estado. Somente depois que o fóton completou seu circuito, a parte que o emitiu originalmente (“o distribuidor”) mede seu estado final e o compara ao estado do fóton originalmente transmitido.
Fóton saltitante
“Nesta medição final, há uma maneira de ver se as pessoas fizeram algo que não deveriam”, explica Forbes. Caso contrário, cada parte agora anuncia quais operações executou no fóton. “Este fóton, que circulou por todas as partes, agora carrega todas as informações que cada uma delas impôs.”
Se as partes confiarem umas nas outras, elas podem usar essas informações para compartilhar uma mensagem secreta sem ter que trocar nenhuma informação útil a terceiros. Os estados reais do fóton são conhecidos apenas pelo distribuidor. Melhor ainda, diz Forbes, não requer teoricamente que todas as partes sejam confiáveis: “Em nosso experimento, tínhamos 10 partes e definimos que todas elas deveriam confiar umas nas outras, mas na verdade você pode ter qualquer coisa menos que 10,” diz Forbes. “Então, eu poderia configurá-lo de forma que a informação fosse espalhada por 10 pessoas, mas contanto que duas, três ou quatro pessoas confiassem umas nas outras, essas partes poderiam colaborar para extrair a chave. Esse é o poder do protocolo: compartilhar e distribuir um segredo de forma segura, o que o QKD não permite que você faça.”
“Andrew Forbes e seu grupo fizeram um trabalho excelente”, diz Alan Willner, da University of Southern California, “é adicionar uma camada importante do que um sistema quântico real pode usar. Esta comunicação de 11 dimensões e 10 partes é realmente um grande passo em frente.”
Publicado em 10/08/2020 20h25
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