A distribuição de chaves quânticas é um método criptográfico que pode garantir uma comunicação segura. Um experimento baseado em satélite mostrou que essa técnica pode ser aplicada a longas distâncias sem a necessidade de relés confiáveis.
A sociedade moderna é impulsionada pela troca de informações em larga escala. Como resultado, a comunicação segura de dados confidenciais em todo o mundo é um ativo cada vez mais valioso. A caixa de ferramentas matemáticas amplamente usada para esta tarefa pode ser complementada aplicando os princípios da física quântica para aumentar a segurança do link de comunicação. Essa abordagem possui recursos altamente desejáveis, como a proteção das informações criptografadas contra ameaças que podem surgir como consequência de futuros avanços no poder computacional. No entanto, ele também apresenta desafios tecnológicos substanciais em termos do alcance da comunicação possível e do grau de confiança nos dispositivos utilizados. Escrevendo na Nature, demonstram que essas soluções criptográficas podem ser implantadas em distâncias superiores a 1.000 quilômetros, sem comprometer a segurança prometida pela tecnologia quântica subjacente.
A aplicação principal da comunicação quântica é conhecida como distribuição de chave quântica (QKD). Esse processo permite que duas partes localizadas à distância uma da outra compartilhem uma cadeia secreta de bits (unidades de informação) denominada chave, que podem ser usadas para criptografar e descriptografar mensagens secretas, sem fazer suposições sobre o poder computacional de um possível bisbilhoteiro . Embora o princípio dessa segurança absoluta se baseie solidamente nas leis fundamentais da natureza, as implementações práticas vêm em diferentes configurações.
Por exemplo, é possível que uma das duas partes prepare estados quânticos de luz – o portador físico natural da informação na comunicação quântica – e os envie para a segunda parte, que os mede. Ao processar esses dados usando a comunicação clássica padrão, as duas partes podem extrair a chave secreta. O QKD nessa configuração foi demonstrado em mais de 400 km em uma fibra óptica de baixa perda e em mais de 1.200 km usando um link de comunicação satélite-terra.
Embora impressionantes, essas demonstrações exigem que os dispositivos das duas partes sejam totalmente caracterizados e confiáveis. Além disso, as perdas no meio de transmissão óptica acabam se tornando proibitivas. Como resultado, as redes que precisam ser estabelecidas para distribuir chaves de forma segura entre as partes contêm nós, que também precisam ser confiáveis. Essa restrição pode ser indesejável para alguns aplicativos.
Se, em vez disso, alguém pudesse usar a distribuição dos estados de luz “entrelaçados” produzidos por uma fonte, a necessidade de confiança seria grandemente aliviada. Estados emaranhados incorporam a natureza peculiar da física quântica e exibem correlações não encontradas na física clássica. Tais correlações podem ser roteadas através de dispositivos chamados repetidores quânticos, para que sistemas físicos remotos possam se enredar. Nos últimos anos, houve um grande progresso nessa direção. Mas, até o momento, as maiores distâncias para a distribuição de emaranhados foram alcançadas através da transmissão direta dos estados. Essas distâncias são de aproximadamente 100 km em uma fibra óptica e 1.200 km usando links de satélite.
Idealmente para QKD, a segurança da chave gerada seria confirmada apenas pela detecção experimental dessas correlações não clássicas, por meio de propriedades estatísticas conhecidas como desigualdades de Bell, sem ter que confiar nos dispositivos utilizados pelas duas partes. No entanto, na prática, atingir esse nível de segurança impõe requisitos rigorosos aos dispositivos experimentais que não podem ser satisfeitos pelas tecnologias atualmente disponíveis. Um caminho a seguir é implementar o QKD baseado em emaranhamento que tenha requisitos mais fracos, pelo que, embora os dispositivos das partes devam ser confiáveis, a fonte dos estados emaranhados pode permanecer não confiável.
Yin et al. realizaram uma implementação completa e de longa distância do QKD com essas restrições (Fig. 1). Uma maneira importante de entender seu resultado é observar como ele foi alcançado, a partir de trabalhos anteriores por alguns dos autores atuais e seus colegas em 2017. Nesse artigo, os pesquisadores demonstraram a distribuição dos estados emaranhados gerados a bordo do satélite Micius e enviado através de dois links de comunicação para estações terrestres ópticas na China, separadas por 1.200 km.
Embora esse trabalho tenha sido um marco para o campo, a eficiência de transmissão alcançada era muito baixa para que o QKD fosse realizado em condições práticas. Em particular, como apenas um número finito de estados pode ser transmitido durante uma janela curta de coleta de dados, os muitos erros envolvidos impediram que uma chave secreta fosse extraída. Levar em consideração o uso de um número finito de estados transmitidos é crucial para alcançar a segurança, especialmente no caso de um experimento baseado em satélite, no qual os dados são coletados apenas durante o breve período em que o satélite é visível nas estações terrestres.
Yin et al. resolveu esse problema implementando importantes aprimoramentos tecnológicos. Isso incluiu a instalação de telescópios altamente eficientes nas estações terrestres e a otimização dos componentes do equipamento em todas as etapas do caminho óptico. A otimização meticulosa dos autores também envolveu a aquisição de sinais de ponta, sistemas de apontamento e rastreamento e técnicas de sincronização para as estações terrestre e por satélite. Seus esforços levaram a um aumento de quatro vezes na eficiência da transmissão em comparação com o experimento anterior e, consequentemente, produziram taxas de erro suficientemente baixas para que uma chave secreta fosse extraída. Os autores também verificaram a estabilidade e a confiabilidade de suas descobertas em várias órbitas de satélite.
Do ponto de vista da segurança, essa demonstração não elimina a necessidade de confiança nas estações receptoras. Portanto, devem ser feitas suposições sobre o funcionamento interno dos dispositivos nessas estações. Yin et al. fez duas coisas para minimizar o risco que essas suposições não teriam na prática. Primeiro, eles usaram uma abordagem sistemática para combater as imperfeições que, inadvertidamente, poderiam vazar informações para um possível bisbilhoteiro. Segundo, eles usaram uma gama de soluções para controlar ativamente as propriedades dos portadores de informações fotônicas. Combinado com a segurança dessa abordagem quântica, que deve ser garantida contra todos os ataques possíveis, isso torna os resultados dos autores a demonstração mais avançada de QKD até agora.
No entanto, várias deficiências precisarão ser superadas para que essas descobertas se tornem relevantes para aplicativos de alta segurança verdadeiramente práticos. Por exemplo, o experimento produziu chaves a taxas extremamente baixas. Além disso, o experimento foi realizado apenas à noite e usando um comprimento de onda que é incompatível com as redes de fibra óptica usadas para telecomunicações que interagem com redes espaciais em infraestruturas para comunicação quântica global. Além disso, o QKD pode ser alcançado apenas entre estações terrestres visíveis simultaneamente a partir do satélite.
O progresso em todas essas áreas exige o desenvolvimento de dispositivos de alto desempenho que operem com um comprimento de onda maior do que o utilizado neste trabalho, o uso de satélites em órbitas mais altas que o de Micius e – a longo prazo – a integração da tecnologia demonstrada com quantum repetidores e outras arquiteturas promissoras que permitem nós não confiáveis. Tais avanços liberariam todo o potencial das tecnologias quânticas para executar tarefas criptográficas em escala global.
Publicado em 30/06/2020 06h08
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