Representação do sistema proposto em uma cidade metropolitana onde informações seguras quânticas são transferidas entre dois nós quânticos. Crédito:Agheal Abedzahdeh (Duke University)
Avanços recentes em computadores quânticos podem em breve dar aos hackers acesso a máquinas poderosas o suficiente para quebrar até mesmo o mais difícil dos códigos de segurança padrão da Internet. Com esses códigos quebrados, todos os nossos dados online - de registros médicos a transações bancárias - podem ser vulneráveis a ataques.
Para lutar contra a ameaça futura, pesquisadores estão usando as mesmas propriedades estranhas que impulsionam os computadores quânticos a criar formas teoricamente à prova de hack de criptografia de dados quânticos.
E agora, essas técnicas de criptografia quântica podem estar um passo mais perto do uso em larga escala, graças a um novo sistema desenvolvido por cientistas da Duke University, The Ohio State University e Oak Ridge National Laboratory. Seu sistema é capaz de criar e distribuir códigos de criptografia a taxas de megabit por segundo, que é cinco a 10 vezes mais rápido do que os métodos existentes e igual às velocidades atuais da Internet ao executar vários sistemas em paralelo.
Os pesquisadores demonstram que a técnica é protegida contra ataques comuns, mesmo em face de falhas de equipamento que podem abrir vazamentos.
"Agora é provável que tenhamos um computador quântico funcionando que possa começar a quebrar os códigos criptográficos existentes em um futuro próximo, "disse Daniel Gauthier, um professor de física na The Ohio State University. "Nós realmente precisamos pensar bem agora nas diferentes técnicas que podemos usar para tentar proteger a Internet."
Os resultados aparecem online em 24 de novembro em Avanços da Ciência .
Para um hacker, nossas compras online, as transações bancárias e os registros médicos parecem lixo devido a cifras chamadas de chaves de criptografia. As informações pessoais enviadas pela web são primeiro codificadas usando uma dessas chaves, e, em seguida, ordenado pelo receptor usando a mesma chave.
Para que este sistema funcione, ambas as partes devem ter acesso à mesma chave, e deve ser mantido em segredo. A distribuição de chave quântica (QKD) tira proveito de uma das propriedades fundamentais da mecânica quântica - medir pequenos pedaços de matéria como elétrons ou fótons muda automaticamente suas propriedades - para trocar chaves de uma forma que alerta imediatamente ambas as partes sobre a existência de uma violação de segurança .
Embora o QKD tenha sido teorizado pela primeira vez em 1984 e implementado logo depois, as tecnologias para suportar seu uso em larga escala só agora estão online. Empresas na Europa agora vendem sistemas baseados em laser para QKD, e em um evento altamente divulgado no verão passado, A China usou um satélite para enviar uma chave quântica a duas estações terrestres localizadas a 1200 km de distância.
Ilustração de um dispositivo de comunicação quântica de alta dimensão capaz de transmitir vídeo criptografado. Crédito:Agheal Abedzahdeh (Duke University)
O problema com muitos desses sistemas, disse Nurul Taimur Islam, um estudante de pós-graduação em física na Duke, é que eles só podem transmitir chaves a taxas relativamente baixas - entre dezenas a centenas de kilobits por segundo - que são muito lentas para a maioria dos usos práticos na Internet.
"Com essas taxas, sistemas de criptografia quantum-secure não podem suportar algumas tarefas diárias básicas, como hospedar uma chamada telefônica criptografada ou streaming de vídeo, "Islam disse.
Como muitos sistemas QKD, O principal transmissor do Islam usa um laser enfraquecido para codificar informações sobre fótons individuais de luz. Mas eles encontraram uma maneira de colocar mais informações em cada fóton, tornando sua técnica mais rápida.
Ajustando o tempo em que o fóton é liberado, e uma propriedade do fóton chamada de fase, seu sistema pode codificar dois bits de informação por fóton, em vez de um. Este truque, emparelhado com detectores de alta velocidade desenvolvidos por Clinton Cahall, estudante de graduação em engenharia elétrica e da computação, e Jungsang Kim, professor de engenharia elétrica e da computação na Duke, alimenta seu sistema para transmitir chaves de cinco a dez vezes mais rápido do que outros métodos.
"Foi mudar essas propriedades adicionais do fóton que nos permitiu quase dobrar a taxa de chave segura que poderíamos obter se não tivéssemos feito isso, "disse Gauthier, que começou o trabalho como professor de física na Duke antes de se mudar para a OSU.
Em um mundo perfeito, O QKD seria perfeitamente seguro. Qualquer tentativa de hackear uma troca de chave deixaria erros na transmissão que poderiam ser facilmente detectados pelo receptor. Mas as implementações do mundo real do QKD requerem equipamentos imperfeitos, e essas imperfeições abrem vazamentos que os hackers podem explorar.
Os pesquisadores caracterizaram cuidadosamente as limitações de cada equipamento que usaram. Eles então trabalharam com Charles Lim, atualmente é professor de engenharia elétrica e de computação na Universidade Nacional de Cingapura, para incorporar essas falhas experimentais na teoria.
"Queríamos identificar todas as falhas experimentais do sistema, e incluir essas falhas na teoria para que possamos garantir que nosso sistema esteja seguro e não haja nenhum ataque de canal lateral em potencial, "Islam disse.
Embora seu transmissor exija algumas peças especiais, todos os componentes estão disponíveis comercialmente. As chaves de criptografia codificadas em fótons de luz podem ser enviadas através das linhas de fibra óptica existentes que se enterram sob as cidades, tornando relativamente simples integrar seu transmissor e receptor na infraestrutura atual da Internet.
"Todo esse equipamento, além dos detectores de fóton único, existem na indústria de telecomunicações, e com alguma engenharia provavelmente poderíamos encaixar o transmissor e o receptor inteiros em uma caixa do tamanho de uma CPU de computador, "Islam disse.
