A distribuição de chave quântica (QKD) é um método de comunicação segura que usa a mecânica quântica para criptografar informações. Embora a segurança do QKD seja inquebrável em princípio, se for implementado incorretamente, informações vitais ainda podem ser roubadas por invasores. Eles são conhecidos como ataques de canal lateral, onde os atacantes exploram as fraquezas na configuração do sistema de informação para espionar a troca de chaves secretas.

Pesquisadores da National University of Singapore (NUS) desenvolveram dois métodos, um teórico e um experimental, para garantir que as comunicações QKD não possam ser atacadas dessa forma. O primeiro é um protocolo de criptografia ultra-seguro que pode ser implantado em qualquer rede de comunicação que precise de segurança de longo prazo. O segundo é um dispositivo pioneiro que defende os sistemas QKD contra ataques de pulso de luz brilhante, criando um limite de potência.

"Avanços rápidos em computação quântica e pesquisa algorítmica significam que não podemos mais considerar o software de segurança mais difícil de hoje. Nossas duas novas abordagens prometem garantir que os sistemas de informação que usamos para bancos, saúde e outras infraestruturas críticas e armazenamento de dados podem conter quaisquer ataques futuros em potencial, "disse o professor assistente Charles Lim, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da NUS e do Centro de Tecnologias Quantum, que liderou os dois projetos de pesquisa.

Protocolo de comunicação quântica preparado para o futuro

Tipicamente, no QKD, duas configurações de medição são usadas - uma para gerar a chave e outra para testar a integridade do canal. Em artigo publicado na revista Nature Communications em 17 de maio de 2021, a equipe NUS mostrou que com seu novo protocolo, os usuários podem testar independentemente o dispositivo de criptografia da outra parte, gerando uma chave secreta a partir de duas configurações de geração de chave escolhidas aleatoriamente em vez de uma. Os pesquisadores demonstraram que a introdução de um conjunto extra de medidas geradoras de chave para os usuários torna mais difícil para o intruso roubar informações.

"É uma variação simples do protocolo original que deu início a este campo, mas só pode ser resolvido agora graças a desenvolvimentos significativos em ferramentas matemáticas, "disse o professor Valerio Scarani, que foi um dos inventores desse tipo de método e é coautor do artigo. Ele é do Departamento de Física e do Centro de Tecnologias Quânticas da NUS.

Em comparação com o protocolo QKD 'independente de dispositivo' original, o novo protocolo é mais fácil de configurar, e é mais tolerante a ruído e perda. Ele também oferece aos usuários o mais alto nível de segurança permitido pelas comunicações quânticas e os capacita a verificar de forma independente seus próprios dispositivos de geração de chaves.

Com a configuração da equipe, todos os sistemas de informação construídos com QKD 'independente de dispositivo' estariam livres de configuração e implementação incorretas. "Nosso método permite que os dados fiquem protegidos contra invasores, mesmo que eles tenham poder de computação quântica ilimitado. Essa abordagem pode levar a um sistema de informações verdadeiramente seguro, eliminando todos os ataques de canal lateral e permitindo que os usuários finais monitorem a segurança de sua implementação com facilidade e confiança, "explicou Asst Prof Lim.

Um dispositivo limitador de potência quântica inédito

Criptografia quântica, na prática, usa pulsos ópticos com intensidade de luz muito baixa para trocar dados em redes não confiáveis. Alavancar os efeitos quânticos pode distribuir com segurança as chaves secretas, gerar números verdadeiramente aleatórios, e até mesmo criar notas que são matematicamente impraticáveis.

Contudo, experimentos mostraram que é possível injetar pulsos de luz brilhante no criptosistema quântico para quebrar sua segurança. Esta estratégia de ataque de canal lateral explora a maneira como a luz brilhante injetada é refletida no ambiente externo, para revelar os segredos mantidos no criptosistema quântico.

Em um novo artigo publicado em PRX Quantum em 7 de julho de 2021, os pesquisadores do NUS relataram o desenvolvimento do primeiro dispositivo óptico para resolver o problema. É baseado em efeitos de desfocagem termo-óptica para limitar a energia da luz que entra. Os pesquisadores usam o fato de que a energia da luz brilhante muda o índice de refração do material plástico transparente embutido no dispositivo, assim, ele envia uma fração da luz para fora do canal quântico. Isso impõe um limite de limitação de energia.

O limitador de potência da equipe NUS pode ser visto como um equivalente óptico de um fusível elétrico, exceto que é reversível e não queima quando o limite de energia é violado. É altamente econômico, e pode ser facilmente fabricado com componentes prontos para uso. Também não requer energia, portanto, pode ser facilmente adicionado a qualquer sistema de criptografia quântica para fortalecer a segurança de sua implementação.

Asst Prof Lim adicionado, "É imperativo fechar a lacuna entre a teoria e a prática das comunicações quânticas seguras se quisermos usá-las na futura Internet Quântica. Fazemos isso de forma holística - por um lado, nós projetamos protocolos quânticos mais práticos, e por outro lado, nós projetamos dispositivos quânticos que estão de acordo com os modelos matemáticos assumidos pelos protocolos. Ao fazer isso, podemos reduzir significativamente a lacuna. "