Dois grupos de pesquisa independentes demonstraram um protocolo para distribuição de chaves criptografadas quânticas por meio de um método que certamente deixará os possíveis hackers de rede no escuro. O protocolo, denominado distribuição de chaves quânticas independente de dispositivo, foi proposto pela primeira vez há três décadas, mas não havia sido realizado experimentalmente antes devido a limitações técnicas, que os pesquisadores já superaram.
A maioria das pessoas usa criptografia regularmente para garantir que as informações que transferem pela Internet (como detalhes de cartão de crédito) não caiam em mãos erradas. Os fundamentos matemáticos da criptografia atual são suficientemente robustos para que as “chaves” criptografadas não possam ser quebradas, mesmo com os supercomputadores mais rápidos. Esta criptografia clássica pode, no entanto, estar em risco em futuros computadores quânticos.
Uma solução para este problema é a distribuição quântica de chaves (QKD), que utiliza as propriedades quânticas dos fótons, em vez de algoritmos matemáticos, como base para a criptografia. Por exemplo, se um remetente usa fótons emaranhados para transmitir uma chave a um receptor, qualquer hacker que tente espionar essa comunicação será fácil de detectar porque sua intervenção perturbará o emaranhamento. O QKD, portanto, permite que as duas partes gerem chaves secretas e seguras que podem usar para compartilhar informações.
Dispositivos vulneráveis
Mas há um problema. Mesmo que as informações sejam enviadas de forma segura, alguém ainda pode obter conhecimento da chave hackeando os dispositivos do remetente e/ou destinatário. Como o QKD geralmente pressupõe que os dispositivos mantêm uma calibração perfeita, quaisquer desvios podem ser difíceis de detectar, deixando-os propensos a serem comprometidos.
Uma alternativa é o QKD independente de dispositivo (DIQKD), que como o próprio nome indica opera independentemente do estado do dispositivo. DIQKD funciona da seguinte maneira. Dois usuários, tradicionalmente chamados de Alice e Bob, possuem cada um uma partícula de um par emaranhado. Eles medem as partículas de forma independente, usando um conjunto estrito de condições experimentais. Essas medidas são divididas entre aquelas usadas para gerar uma chave para criptografia e aquelas usadas para confirmar o emaranhamento. Se as partículas estiverem emaranhadas, os valores medidos violarão condições conhecidas como desigualdades de Bell. Estabelecer esta violação garante que o processo de geração de chaves não foi adulterado.
Emaranhamento de alta fidelidade, baixa taxa de erro de bits
Na nova pesquisa, descrita em Natureza, uma equipe internacional da Universidade de Oxford (Reino Unido), CEA (França) e EPFL, Universidade de Genebra e ETH (todas na Suíça) realizaram suas medições em um par de íons de estrôncio-88 presos, espaçados de dois metros um do outro. Quando esses íons são excitados para um estado eletrônico superior, eles decaem espontaneamente, emitindo um fóton cada. Uma medição do estado de Bell (BSM) é então realizada em ambos os fótons para emaranhar os íons. Para garantir que todas as informações sejam mantidas na configuração, os íons são então guiados para um local diferente, onde são usados para realizar o protocolo de medição DIQKD. Depois disso a sequência é repetida.
Durante um período de quase oito horas, a equipe criou 1.5 milhão de pares Bell emaranhados e os usou para gerar uma chave compartilhada de 95 bits. Isso foi possível porque a fidelidade do emaranhamento era alta, de 884%, enquanto a taxa de erro quântico de bits era baixa, de 96%. As medições da desigualdade de Bell, por sua vez, produziram um valor de 1.44, bem acima do limite clássico de 2.64, o que significa que o emaranhamento não foi prejudicado.
Em um experimento separado, também descrito em Natureza, pesquisadores da Universidade Ludwig-Maximilian (LMU) da Alemanha e da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) usaram um par de átomos de rubídio-87 opticamente presos, localizados em laboratórios separados por 400 metros e conectados por uma fibra óptica de 700 metros de comprimento. Semelhante ao protocolo da outra equipe, os átomos são excitados e os fótons que eles emitem à medida que decaem de volta ao seu estado fundamental são usados para realizar um BSM que emaranha os dois átomos. Os estados dos átomos são então medidos ionizando-os para um estado específico. Como os átomos ionizados são perdidos na armadilha, uma medição de fluorescência para verificar a presença do átomo completa o protocolo.
A equipe do LMU-NUS repetiu essa sequência 3 vezes durante um período de medição de 342 horas, mantendo uma fidelidade de emaranhamento de 75% e uma taxa de erro quântico de bits de 89.2%. A medição da desigualdade de Bell produziu um resultado de 7.8, provando mais uma vez que o emaranhamento permaneceu intacto durante o período de medição.
Agora torne isso prático
Para que o DIQKD se torne um método de criptografia prático, ambas as equipes concordam que as taxas de geração de chaves precisarão aumentar. O mesmo acontecerá com as distâncias entre Alice e Bob. Uma forma de otimizar o sistema pode ser usar cavidades para melhorar as taxas de coleta de fótons. Outro passo seria paralelizar o processo de geração de emaranhamento usando matrizes de átomos/íons únicos, em vez de pares. Além disso, ambas as equipes geram fótons em comprimentos de onda com altas perdas dentro das fibras ópticas: 422 nm para o estrôncio e 780 nm para o rubídio. Isto poderia ser resolvido através da conversão quântica de frequência, que desloca os fótons para a região do infravermelho próximo, onde as fibras ópticas usadas para telecomunicações apresentam perdas muito menores.
Tim van Leent, estudante de doutorado na LMU e co-autor principal do artigo LMU-NUS, observa que as chaves geradas pela equipe Oxford-CEA-Suíça eram seguras sob as chamadas suposições de segurança de chave finita, que ele chama de “uma grande conquista ”. Ele acrescenta que o trabalho da outra equipe na implementação de todas as etapas necessárias no protocolo QKD estabelece um precedente importante, apontando que a qualidade do emaranhamento relatada neste experimento é a mais alta até agora entre memórias quânticas distantes baseadas em matéria.
Sistema de criptografia quântica hackeado
Nicolas Sangouard, físico do CEA e um dos principais investigadores do projeto, afirma que os pesquisadores do LMU-NUS conseguiram mostrar que estados emaranhados podem ser distribuídos por centenas de metros com uma qualidade que é, em princípio, alta o suficiente para realizar dispositivos -distribuição independente de chaves quânticas. Ele acrescenta que as dificuldades que tiveram de superar servem como uma boa ilustração dos desafios que o QKD independente de dispositivo ainda representa para as plataformas de redes quânticas. Extrair uma chave dos dados brutos continua particularmente difícil, acrescenta, pois o número de repetições experimentais não é suficiente para extrair uma chave dos resultados da medição.
