Pela primeira vez, pesquisadores enviaram uma mensagem segura quântica contendo mais de um bit de informação por fóton através do ar acima de uma cidade. A demonstração mostrou que um dia poderá ser prático usar alta capacidade, comunicação quântica em espaço livre para criar um link altamente seguro entre redes terrestres e satélites, um requisito para a criação de uma rede de criptografia quântica global.

A criptografia quântica usa fótons para codificar informações na forma de bits quânticos. Em sua forma mais simples, conhecido como criptografia 2D, cada fóton codifica um bit:um ou zero. Os cientistas mostraram que um único fóton pode codificar ainda mais informações - um conceito conhecido como criptografia quântica de alta dimensão - mas até agora isso nunca foi demonstrado com a comunicação óptica no espaço livre em condições do mundo real. Com oito bits necessários para codificar apenas uma letra, por exemplo, empacotar mais informações em cada fóton aceleraria significativamente a transmissão de dados.

"Nosso trabalho é o primeiro a enviar mensagens de maneira segura usando criptografia quântica de alta dimensão em condições reais de cidade, incluindo turbulência, "disse o líder da equipe de pesquisa, Ebrahim Karimi, Universidade de Ottawa, Canadá. "O seguro, o esquema de comunicação no espaço livre que demonstramos pode potencialmente ligar a Terra a satélites, conecte com segurança lugares onde é muito caro instalar fibra, ou ser usado para comunicação criptografada com um objeto em movimento, como um avião. "

Conforme detalhado em Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, os pesquisadores demonstraram a criptografia quântica 4D em uma rede óptica de espaço livre que se estende por dois edifícios separados por 0,3 quilômetros na Universidade de Ottawa. Este esquema de criptografia de alta dimensão é referido como 4D porque cada fóton codifica dois bits de informação, que fornece as quatro possibilidades de 01, 10, 00 ou 11.

Além de enviar mais informações por fóton, a criptografia quântica de alta dimensão também pode tolerar mais ruído de obscurecimento do sinal antes que a transmissão se torne insegura. O ruído pode surgir do ar turbulento, eletrônica falhada, detectores que não funcionam corretamente e de tentativas de interceptar os dados. "Este limite de ruído mais alto significa que quando a criptografia quântica 2D falha, você pode tentar implementar 4D porque, em princípio, é mais seguro e mais resistente ao ruído, "disse Karimi.

Usando luz para criptografia

Hoje, algoritmos matemáticos são usados ​​para criptografar mensagens de texto, transações bancárias e informações de saúde. Interceptar essas mensagens criptografadas requer descobrir o algoritmo exato usado para criptografar um dado dado, uma façanha que é difícil agora, mas que deverá se tornar mais fácil na próxima década ou então, à medida que os computadores se tornarem mais poderosos.

Dada a expectativa de que os algoritmos atuais podem não funcionar tão bem no futuro, mais atenção está sendo dada a técnicas de criptografia mais fortes, como distribuição de chave quântica, que usa propriedades de partículas de luz conhecidas como estados quânticos para codificar e enviar a chave necessária para descriptografar os dados codificados.

Embora a criptografia quântica com fio e de espaço livre tenha sido implantada em alguns pequenos, redes locais, implementá-lo globalmente exigirá o envio de mensagens criptografadas entre as estações terrestres e as redes de comunicação quântica baseadas em satélite que ligariam cidades e países. Testes horizontais no ar podem ser usados ​​para simular o envio de sinais para satélites, com cerca de três quilômetros horizontais sendo aproximadamente igual a enviar o sinal através da atmosfera da Terra para um satélite.

Antes de tentar um teste de três quilômetros, os pesquisadores queriam ver se era possível realizar a criptografia quântica 4D externamente. Isso foi considerado tão desafiador que alguns outros cientistas da área disseram que o experimento não funcionaria. Um dos principais problemas enfrentados durante qualquer experimento de espaço livre é lidar com a turbulência do ar, que distorce o sinal óptico.

Teste do mundo real

Para os testes, os pesquisadores trouxeram suas configurações ópticas de laboratório para dois telhados diferentes e os cobriram com caixas de madeira para fornecer alguma proteção contra os elementos. Depois de muita tentativa e erro, eles enviaram com sucesso mensagens protegidas com criptografia quântica 4D através de seu link intracity. As mensagens exibiram uma taxa de erro de 11 por cento, abaixo do limite de 19 por cento necessário para manter uma conexão segura. Eles também compararam a criptografia 4D com 2D, encontrando isso, após a correção de erros, eles poderiam transmitir 1,6 vezes mais informações por fóton com criptografia quântica 4D, mesmo com turbulência.

“Depois de trazer o equipamento que normalmente seria usado em uma limpeza, ambiente de laboratório isolado a um telhado que está exposto aos elementos e não tem isolamento de vibração, foi muito gratificante ver resultados mostrando que podíamos transmitir dados seguros, "disse Alicia Sit, um estudante de graduação no laboratório de Karimi.

Como uma próxima etapa, os pesquisadores estão planejando implementar seu esquema em uma rede que inclui três links com cerca de 5,6 quilômetros de distância e que usa uma tecnologia conhecida como óptica adaptativa para compensar a turbulência. Eventualmente, eles querem ligar essa rede a uma que já existe na cidade. "Nosso objetivo de longo prazo é implementar uma rede de comunicação quântica com vários links, mas usando mais de quatro dimensões ao tentar contornar a turbulência, "disse Sente-se.