Prof. Ekert explica os conceitos fundamentais de aleatoriedade e criptografia quântica. Crédito:Tomomi Okubo/OIST A descoberta da mecânica quântica abriu as portas para formas fundamentalmente novas de comunicação, processamento e proteção de dados. Com uma revolução quântica em andamento, oportunidades há muito inimagináveis estão chegando ao nosso alcance.
Desde as questões fundamentais sobre como o universo funciona até a comunicação segura – é a mecânica quântica que contém as soluções do nosso futuro. O Professor Artur Ekert, pioneiro na área e pai da criptografia quântica, é Professor (Adjunto) e chefe da Unidade de Segurança da Informação Quântica do OIST desde abril de 2021. O Professor Ekert, que agora pode permanecer com mais frequência no OIST após a pandemia, foi entrevistado.
Com formação em matemática aplicada, ele não planejava trabalhar com física até tropeçar em uma biblioteca com "As Palestras de Física de Feynman" - "Eu li e fiquei completamente viciado!" Prof. Ekert diz. Com essa paixão recém-descoberta, ele começou a trabalhar para obter seu doutorado. na Universidade de Oxford, onde também conheceu seu mentor David Deutsch, o pioneiro da computação quântica. Ao mesmo tempo, ele se deparou com outro artigo influente sobre o emaranhamento quântico, escrito pelo famoso físico Alain Aspect.
"Fiquei profundamente impressionado - o artigo mostrou que a mecânica quântica é inerentemente imprevisível. Este foi o meu ponto de partida quando entendi que isso pode ser usado para comunicações seguras", diz o Prof. Mas antes destas experiências inovadoras de Aspect e colegas, houve um debate acirrado sobre se as experiências em mecânica quântica eram inerentemente imprevisíveis ou não.
Embora fosse possível obter previsões estatísticas sobre os resultados destas experiências, afirmações determinadas sempre permaneceram fora de alcance. “Agora a questão era:lidamos com a verdadeira aleatoriedade na mecânica quântica ou apenas com a nossa incapacidade de prever resultados suficientemente bem?” explica o Prof. Descobriu-se que a resposta a esta pergunta também continha a chave para o desenvolvimento da criptografia quântica.
Existe verdadeira aleatoriedade no universo?
Os eventos aleatórios podem ser categorizados em dois tipos diferentes, que os cientistas chamam de aleatoriedade objetiva e subjetiva. "Por exemplo, algo pode parecer aleatório para você, mas não para mim, porque tenho mais informações que me permitem compreender e prever o evento. Se você não tiver acesso a essas informações adicionais, o evento parecerá aleatório para você - isto é o que chamamos de aleatoriedade subjetiva", explica o Prof. Ekert.
Surpreendentemente, o exemplo clássico de lançamento de moeda pertence à categoria de aleatoriedade subjetiva. Com conhecimento suficiente sobre as condições iniciais, o movimento e a estrutura das moedas, a circulação de ar na sala e muito mais, o resultado de qualquer lançamento de moeda tornar-se-ia perfeitamente previsível. “A aleatoriedade objetiva, por outro lado, é um evento cujo resultado não é possível prever, mesmo que você saiba absolutamente tudo sobre ele”, diz o professor Ekert.
Se a física quântica tem elementos dessa aleatoriedade objetiva foi debatido entre os cientistas no século 20 e obteve oposição muito proeminente de Albert Einstein.
“Ele pensava que não podemos prever os resultados dos experimentos em mecânica quântica porque nos falta informação, e não porque sejam inerentemente imprevisíveis”, diz o professor Ekert. Se isso estivesse correto e as informações que faltavam pudessem ser identificadas, o resultado dos experimentos em mecânica quântica deveria ter se tornado previsível. “Ele chamou essa informação faltante de variáveis ocultas”, explica o Prof. Ekert.
Este debate teórico durou cerca de 30 anos, até que o cientista John Bell apresentou uma hipótese testável, agora também conhecida como desigualdade de Bell. Este teste, entre outras utilizações, permitiu responder à questão de saber se os eventos quânticos são verdadeiramente aleatórios ou não.
Em poucas palavras, é assim que funciona; durante um experimento adequado usando fótons emaranhados, um parâmetro específico é medido. Se este parâmetro estiver fora do intervalo esperado, ele sustenta que os eventos no nível quântico têm um componente objetivamente aleatório, mas se estiver dentro do intervalo esperado, então as objeções de Einstein estão corretas e existem variáveis ocultas.
“O problema é que quando Bell publicou o seu trabalho, ainda não era possível realizar estas experiências altamente complicadas”, diz o Prof. Com a matemática, mas não os meios técnicos para realizar o teste, o debate permaneceu sem resposta por mais uma década. Até a década de 1970, quando essas experiências finalmente se tornaram possíveis, John Clauser foi um dos primeiros a realizá-las.
“Quando ele faz esses primeiros experimentos, ele observa uma violação da desigualdade de Bell, que apoia o fato de que a natureza em sua base é aleatória”, diz o professor Ekert.
As informações confidenciais são traduzidas em binário antes de serem sobrepostas a uma chave de criptografia aleatória secreta por meio da adição binária. O resultado é outra sequência aleatória de uns e zeros. Como essa sequência também é aleatória, ninguém consegue encontrar as informações confidenciais nela ocultas, mesmo ao analisar a sequência. Nesta fase, as mensagens, também chamadas de criptogramas, só podem ser decodificadas com a chave correspondente. Isso torna possível enviar a mensagem com segurança mesmo usando métodos não criptografados ou públicos. Assim que o destinatário obtiver o criptograma, ele poderá recuperar as informações confidenciais ocultas subtraindo a sequência aleatória da chave de criptografia. Crédito::Kaori Serakaki/OIST
Mas com a tecnologia ainda limitada da época, esta descoberta emocionante permaneceu inicialmente preliminar. Na verdade, a certeza sobre o assunto só foi alcançada no final dos anos 90. Entre outros, foi o trabalho inovador de Alain Aspect, Nicolas Gisin, Ronald Hanson, Jianwei Pan e Anton Zeilinger, sobre a natureza do emaranhamento quântico e as desigualdades de Bell, que confirmou para sempre o funcionamento fundamental da mecânica quântica - mostrando que existe verdadeira aleatoriedade em eventos quânticos.
Em 2022, Aspect, Clauser e Zeilinger partilharam um prémio Nobel pelos seus esforços experimentais pioneiros.
Da mecânica quântica à criptografia quântica
Ao aprender sobre tudo isso enquanto trabalhava para seu doutorado, o Prof. Ekert percebeu que a aleatoriedade pode ser usada para criar uma maneira de desenvolver criptografia inquebrável. Antes de as comunicações seguras se tornarem quânticas, a criptografia já permitia a transmissão segura de informações, exceto por uma armadilha crucial.
"Vamos imaginar que você queira transmitir informações com segurança para outra pessoa. Nesse caso, vocês dois precisam de algo chamado chave criptográfica - que é uma sequência completamente aleatória de uns e zeros. Essa chave precisa ser mantida estritamente secreta!" diz o Prof. Embora a chave seja aleatória e, portanto, sem sentido, mais tarde permitirá ao seu titular decodificar a mensagem enviada.
Mas este método tradicional de criptografia tem um grande obstáculo de segurança:manter a chave em segredo. Caso o acesso fosse obtido de forma não autorizada, quaisquer mensagens enviadas poderiam ser descodificadas e como poderia haver certeza absoluta de que ninguém obteve acesso às chaves secretas?
Classicamente, este problema foi resolvido através da utilização de linhas protegidas para comunicação e através do trabalho de especialistas em segurança cibernética que implementaram vários recursos de segurança para proteger as chaves de criptografia.
“Mas veja, mesmo com a melhor segurança instalada, você nunca poderia ter 100% de certeza de que ninguém teve acesso”, ressalta o Prof. Ekert.
Tudo isto mudou quando as experiências sobre a desigualdade de Bell mostraram que a mecânica quântica tem uma componente inerentemente aleatória. “Uma solução é usar chaves quânticas. Elas são geradas usando fótons emaranhados”, explica o professor Ekert.
Este método de geração de chave criptográfica permite testar se alguém teve acesso não autorizado por meio do teorema de Bell. “Se a sua chave viola as desigualdades de Bell, você pode ter certeza de que ninguém teve acesso à sua chave”, diz o professor Ekert. Com isso, ele descobriu uma forma totalmente nova de proteger a comunicação:a criptografia quântica.
Este método de encriptação é agora mais importante do que nunca, uma vez que o progresso no desenvolvimento de computadores quânticos tornará a encriptação clássica menos segura – um problema para dados sensíveis, por exemplo, no sector médico ou financeiro. Aqui a criptografia quântica oferece uma forma de garantir proteção, mas provavelmente não se tornará o padrão para todas as comunicações.
“A criptografia quântica não substituirá completamente os métodos clássicos, porque nem sempre há necessidade de segurança perfeita. Nem todo carro precisa estar de acordo com os padrões da Fórmula 1 – o mesmo acontece com a criptografia”, diz o professor Ekert.
No entanto, o desenvolvimento de estratégias modernas de segurança cibernética que acompanhem o complexo mundo tecnológico de hoje é um desafio fundamental tanto para a ciência como para a sociedade, e uma das razões que trouxe o Prof. Ekert ao OIST.
“Estou aqui para ajudar a criar uma comunidade vibrante de segurança quântica e cibernética em Okinawa e também quero ajudar a educar as pessoas sobre segurança cibernética e melhorar a proteção de dados”, diz o Prof.
Um segundo foco será a sua investigação sobre o conceito de aleatoriedade, para o qual o OIST oferece condições ideais. “Aprecio o ambiente agradável e tranquilo de Okinawa”, destaca o Prof. Ekert. Embora seja agora um facto que a aleatoriedade objectiva desempenha um papel na mecânica quântica, a investigação do Prof. Ekert aqui no OIST aborda uma questão talvez comparativamente fundamental sobre a natureza do nosso universo:"Estou interessado em saber porque é que as coisas são aleatórias", diz ele.
