p De números de cartão de crédito a informações de contas bancárias, transmitimos informações digitais confidenciais pela Internet todos os dias. Desde a década de 1990, no entanto, os pesquisadores sabem que os computadores quânticos ameaçam atrapalhar a segurança dessas transações. p Isso porque a física quântica prevê que esses computadores podem fazer alguns cálculos muito mais rápido do que seus equivalentes convencionais. Isso permitiria a um computador quântico quebrar um sistema comum de segurança da Internet chamado criptografia de chave pública.

p Este sistema permite que dois computadores estabeleçam conexões privadas ocultas de hackers em potencial. Na criptografia de chave pública, cada dispositivo distribui cópias de sua própria chave pública, que é um pedaço de informação digital. Qualquer outro dispositivo pode usar essa chave pública para embaralhar uma mensagem e enviá-la de volta para o primeiro dispositivo. O primeiro dispositivo é o único que possui outra informação, sua chave privada, que ele usa para descriptografar a mensagem. Dois computadores podem usar esse método para criar um canal seguro e enviar informações de um lado para outro.

p Um computador quântico poderia calcular rapidamente a chave privada de outro dispositivo e ler suas mensagens, colocando em risco todas as comunicações futuras. Mas muitos cientistas estão estudando como a física quântica pode revidar e ajudar a criar linhas de comunicação mais seguras.

p Um método promissor é a distribuição quântica de chaves, que permite que duas partes estabeleçam diretamente um canal seguro com uma única chave secreta. Uma maneira de gerar a chave é usar pares de fótons emaranhados - partículas de luz com uma conexão quântica compartilhada. O emaranhamento garante que ninguém mais possa saber a chave, e se alguém tentar escutar, ambas as partes serão avisadas.

p Tobias Huber, um recém-chegado JQI Experimental Postdoctoral Fellow, tem investigado como gerar de forma confiável os fótons emaranhados necessários para essa comunicação segura. Huber é formado pela Universidade de Innsbruck, na Áustria, onde ele foi supervisionado por Gregor Weihs. Eles têm colaborado frequentemente com JQI Fellow Glenn Solomon, que passou um semestre em Innsbruck como bolsista Fulbright. Nos últimos anos, eles têm estudado uma fonte particular de fótons emaranhados, chamados pontos quânticos.

p Um ponto quântico é uma área minúscula em um semicondutor, apenas nanômetros de largura, que está embutido em outro semicondutor. Esta pequena região se comporta como um átomo artificial. Assim como em um átomo, elétrons em um ponto quântico ocupam certos níveis discretos de energia. Se o ponto quântico absorver um fóton da cor certa, um elétron pode saltar para um nível de energia mais alto. Quando isso acontecer, deixa para trás uma fenda aberta na energia mais baixa, que os físicos chamam de buraco. Eventualmente, o elétron irá decair à sua energia original, emitindo um fóton e preenchendo o buraco. A combinação intermediária do elétron excitado e do buraco é chamada de exciton, e dois elétrons excitados e dois buracos são chamados de biexciton. Um biexciton decairá em cascata, emitindo um par de fótons.

p Huber, Weihs, Solomon e vários colegas desenvolveram uma maneira de excitar diretamente biexcitons em pontos quânticos usando uma sequência de pulsos de laser. Os pulsos permitem codificar informações no par de fótons emitidos, criando uma conexão entre eles conhecida como emaranhamento de caixa de tempo. É o melhor tipo de emaranhamento para transmitir informações quânticas por meio de fibras ópticas porque não se degrada tão facilmente quanto outros tipos em longas distâncias. Huber e seus colegas são os primeiros a produzir diretamente fótons emaranhados no intervalo de tempo a partir de pontos quânticos.

p Em seu último trabalho, publicado em Optics Express , eles investigaram como a presença de imperfeições materiais em torno dos pontos quânticos influenciam essa geração de emaranhamento. As imperfeições têm seus próprios níveis de energia de elétrons e podem roubar um elétron de um ponto ou doar um elétron para preencher um buraco. De qualquer jeito, a impureza impede que um exciton decaia e emita um fóton, diminuindo o número de fótons que são finalmente liberados. Para combater esta perda, a equipe usou um segundo laser para preencher os níveis de elétrons das impurezas e mostrou que isso aumentava o número de fótons liberados sem comprometer o emaranhamento entre eles.

p A equipe diz que o novo trabalho é um passo na direção certa para tornar os pontos quânticos uma fonte viável de fótons emaranhados. Conversão negativa paramétrica, um competidor que usa cristais para dividir a energia de um fóton em dois, ocasionalmente produz dois pares de fótons emaranhados em vez de um. Isso pode permitir que um intruso leia uma mensagem criptografada sem ser detectado. A ausência dessa desvantagem torna os pontos quânticos um excelente candidato para a produção de fótons emaranhados para distribuição de chave quântica.

p O advento da computação quântica traz novos desafios de segurança, mas ferramentas como a distribuição quântica de chaves estão enfrentando esses desafios de frente. É possível que, um dia, poderíamos ter não apenas computadores quânticos, mas linhas de comunicação seguras quânticas, livre de olhos curiosos.