Pesquisadores na China alcançaram um marco importante na distribuição de chaves quânticas (QKD) espaço-solo ao demonstrar um terminal QKD funcional com metade da massa de um sistema anterior. Depois de enviar o novo terminal ao espaço para orbitar a Terra a bordo do laboratório espacial Tiangong-2, os cientistas da Laboratório Nacional de Hefei e os votos de Universidade da Ciência e Tecnologia da China (USTC) conduziu uma série de 19 experimentos entre 23 de outubro de 2018 e 13 de fevereiro de 2019, transmitindo com sucesso chaves quânticas entre o satélite e quatro estações terrestres em 15 dias separados.
Como outros terminais QKD, o dispositivo neste estudo depende do comportamento quântico da luz para criar os tipos de chaves de criptografia necessárias para proteger os dados. “O QKD emprega a unidade fundamental da luz – fótons únicos – para codificar informações entre dois usuários distantes”, explica Jian-Wei Pan, físico da USTC e coautor de um artigo sobre a pesquisa em Optica. “Por exemplo, o transmissor pode codificar aleatoriamente informações sobre os estados de polarização dos fótons, como horizontal, vertical, linear +45° ou linear –45°. No receptor, uma decodificação de estado de polarização semelhante pode ser realizada e as chaves brutas podem ser obtidas. Após a correção de erros e amplificação da privacidade, as chaves seguras finais podem ser extraídas.”
Segurança à prova de futuro
O novo terminal QKD simplificado é uma boa notícia para usuários com altos requisitos de segurança. Embora a criptografia tradicional de chave pública seja atualmente um dos melhores meios de criptografia, ela se baseia no fato de que os computadores clássicos simplesmente não conseguem resolver certos problemas em um período de tempo razoável. No entanto, essas funções matemáticas intratáveis só funcionam se o hacker estiver usando um computador clássico. Como aponta Pan, um computador quântico no futuro poderia simplesmente usar o algoritmo de Shor para quebrar até mesmo os melhores métodos de criptografia atuais.
Se os computadores quânticos puderem quebrar a criptografia clássica, uma solução possível seria usar a criptografia quântica, quando aplicável. “QKD fornece uma solução segura de informações para o problema de troca de chaves”, diz Pan. “O teorema da não clonagem quântica determina que um estado quântico desconhecido não pode ser clonado de forma confiável. Se o bisbilhoteiro tentar escutar o QKD, ele inevitavelmente introduzirá distúrbios nos sinais quânticos, que serão então detectados pelos usuários do QKD.”
Paulo Kwiat, físico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, EUA, que não esteve envolvido na pesquisa, acrescenta que qualquer ataque ao QKD deve ser feito no momento da transmissão. “Nesse sentido, o QKD às vezes é descrito como ‘à prova de futuro’ – não importa qual poder de computação algum adversário desenvolva daqui a 10 anos (o que seria importante para a criptografia de chave pública); tudo o que importa são as capacidades que um bisbilhoteiro tem quando a chave quântica é inicialmente distribuída”, diz Kwiat, que lidera a divisão de comunicações quânticas at Q-PRÓXIMO, um consórcio de pesquisa focado nos desafios da informação quântica.
Limitação de luz do dia
Embora o trabalho anterior do QKD tenha sido realizado com um dispositivo diferente no satélite Micius, no estudo mais recente os investigadores conseguiram reduzir a massa do terminal integrando a carga útil do QKD com outros sistemas, como eletrónica de controlo, ótica e telescópios. Este é um grande passo em frente, mas os membros da equipe Hefei –USTC ainda não terminaram. Um desafio que eles mencionam em seu artigo é que atualmente não podem operar o terminal durante o dia. Isso ocorre porque a dispersão da luz solar cria um ruído de fundo cinco a seis ordens de magnitude maior do que o observado em experimentos realizados à noite. Dito isto, Pan e seus colegas estão trabalhando em tecnologias como otimização de comprimento de onda, filtragem espectral e filtragem espacial para permitir a operação QKD à luz do dia.
QKD independente de dispositivo aproxima a Internet quântica inviolável
Pan afirma que a equipe tem grandes planos, culminando esperançosamente na criação de uma rede quântica global integrada por satélite e terra que possa fornecer serviços a usuários em todo o mundo. Após o sucesso deste trabalho, a equipe começará a construir uma constelação de satélites quânticos composta por vários satélites de órbita baixa, um satélite de órbita média a alta e redes QKD de fibra terrestre. “Acreditamos que o nosso trabalho contribuirá para uma área atractiva de investigação sobre como construir a constelação de satélites ideal”, diz Pan.
