Em um novo estudo, pesquisadores demonstram medições baseadas no solo de estados quânticos enviados por um laser a bordo de um satélite 38, 000 quilômetros acima da Terra. Esta é a primeira vez que os estados quânticos são medidos com tanto cuidado de tão longe.

"Ficamos muito surpresos com a forma como os estados quânticos sobreviveram ao viajar pela turbulência atmosférica para uma estação terrestre, "disse Christoph Marquardt do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, Alemanha. "O artigo demonstra que a tecnologia em satélites, já à prova de espaço contra testes ambientais severos, pode ser usado para obter medições limitadas por quantum, possibilitando assim uma rede de comunicação quântica por satélite. Isso reduz bastante o tempo de desenvolvimento, o que significa que pode ser possível ter um sistema assim dentro de cinco anos. "

Uma rede de criptografia baseada em satélite quântica forneceria uma maneira extremamente segura de criptografar dados enviados por longas distâncias. O desenvolvimento de tal sistema em apenas cinco anos é um cronograma extremamente rápido, pois a maioria dos satélites requer cerca de 10 anos de desenvolvimento. Normalmente, cada componente - de computadores a parafusos - deve ser testado e aprovado para funcionar nas condições ambientais adversas do espaço e deve sobreviver às mudanças gravitacionais experimentadas durante o lançamento.

Marquardt e seus colegas da divisão de Gerd Leuchs no Instituto Max Planck em Erlangen relatam sua nova pesquisa em Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto.

Usando luz para manter os dados seguros

Hoje, mensagens de texto, transações bancárias e informações de saúde são criptografadas com técnicas baseadas em algoritmos matemáticos. Essa abordagem funciona porque é extremamente difícil descobrir o algoritmo exato usado para criptografar um dado dado. Contudo, especialistas acreditam que computadores poderosos o suficiente para quebrar esses códigos de criptografia provavelmente estarão disponíveis nos próximos 10 a 20 anos.

A ameaça de segurança iminente colocou mais atenção na implementação de técnicas de criptografia mais fortes, como distribuição de chave quântica. Em vez de depender da matemática, A distribuição de chave quântica usa propriedades de partículas de luz conhecidas como estados quânticos para codificar e enviar a chave necessária para descriptografar os dados codificados. Se alguém tentar medir as partículas de luz para roubar a chave, ele muda o comportamento das partículas de uma forma que alerta as partes comunicantes pretendidas de que a chave foi comprometida e não deve ser usada. O fato de que este sistema detecta espionagem significa que a comunicação segura é garantida.

Embora os métodos de criptografia quântica estejam em desenvolvimento há mais de uma década, eles não funcionam em longas distâncias porque as perdas de luz residual nas fibras ópticas usadas para redes de telecomunicações no solo degradam os sinais quânticos sensíveis. Os sinais quânticos também não podem ser regenerados sem alterar suas propriedades, processando amplificadores ópticos, como é feito para dados ópticos clássicos. Por esta razão, houve um esforço recente para desenvolver uma rede de comunicação quântica baseada em satélite para conectar redes de criptografia quântica baseadas em solo localizadas em diferentes áreas metropolitanas, países e continentes.

Embora as novas descobertas mostrem que as redes de comunicação quântica por satélite não precisam ser projetadas do zero, Marquardt observa que ainda levará de 5 a 10 anos para converter sistemas baseados em terra em criptografia baseada em quantum para comunicar estados quânticos com os satélites.

Medindo estados quânticos

Para os experimentos, A equipe de Marquardt trabalhou em estreita colaboração com a empresa de telecomunicações por satélite Tesat-Spacecom GmbH e a Administração Espacial Alemã. A Administração Espacial Alemã contratou anteriormente a Tesat-Spacecom em nome do Ministério Alemão de Economia e Energia para desenvolver uma tecnologia de comunicações ópticas para satélites. Essa tecnologia agora está sendo usada comercialmente no espaço por terminais de comunicação a laser a bordo do Copernicus - o Programa de Observação da Terra da União Europeia - e pela SpaceDataHighway, sistema europeu de retransmissão de dados por satélite.

Descobriu-se que essa tecnologia de comunicação óptica por satélite funciona de maneira muito semelhante ao método de distribuição quântica de chaves desenvolvido no Instituto Max Planck. Assim, os pesquisadores decidiram ver se era possível medir estados quânticos codificados em um feixe de laser enviado de um dos satélites já no espaço. Em 2015 e no início de 2016, a equipe fez essas medições a partir de uma estação terrestre no Observatório Teide, em Tenerife, Espanha. Eles criaram estados quânticos em uma faixa onde o satélite normalmente não opera e foram capazes de fazer medições limitadas por quantum a partir do solo.

"A partir de nossas medições, poderíamos deduzir que a luz viajando para a Terra é muito adequada para ser operada como uma rede de distribuição de chave quântica, "Marquardt disse." Ficamos surpresos porque o sistema não foi construído para isso. Os engenheiros fizeram um excelente trabalho na otimização de todo o sistema. "

Os pesquisadores agora estão trabalhando com a Tesat-Spacecom e outros na indústria espacial para projetar um sistema atualizado com base no hardware já usado no espaço. Isso exigirá a atualização do design de comunicação do laser, incorporando um gerador de números aleatórios baseado em quantum para criar as chaves aleatórias e integrando o pós-processamento das chaves.

"Há um grande interesse da indústria espacial e de outras organizações em implementar nossas descobertas científicas, "disse Marquardt." Nós, como cientistas fundamentais, agora estão trabalhando com engenheiros para criar o melhor sistema e garantir que nenhum detalhe seja esquecido. "