Pesquisadores da DTU distribuíram com sucesso uma chave quântica segura usando um método chamado distribuição contínua de chave quântica variável (CV QKD). Os pesquisadores conseguiram fazer o método funcionar numa distância recorde de 100 km – a maior distância já alcançada usando o método CV QKD. A vantagem do método é que ele pode ser aplicado à infra-estrutura existente da Internet.



Os computadores quânticos ameaçam as criptografias existentes baseadas em algoritmos, que atualmente protegem as transferências de dados contra espionagem e vigilância. Eles ainda não são poderosos o suficiente para quebrá-los, mas é uma questão de tempo. Se um computador quântico conseguir descobrir os algoritmos mais seguros, deixará uma porta aberta para todos os dados conectados via Internet. Isto acelerou o desenvolvimento de um novo método de criptografia baseado nos princípios da física quântica.

Mas, para ter sucesso, os investigadores devem superar um dos desafios da mecânica quântica – garantir a consistência em distâncias mais longas. Até agora, a distribuição contínua de chaves quânticas variáveis ​​funcionou melhor em distâncias curtas.

"Alcançamos uma ampla gama de melhorias, especialmente no que diz respeito à perda de fótons ao longo do caminho. Neste experimento, publicado na Science Advances , distribuímos com segurança uma chave criptografada quântica por 100 quilômetros por meio de cabo de fibra óptica. Esta é uma distância recorde com este método”, diz Tobias Gehring, professor associado da DTU, que, juntamente com um grupo de pesquisadores da DTU, pretende ser capaz de distribuir informações criptografadas quânticas em todo o mundo através da Internet.

Chaves secretas dos estados quânticos da luz

Quando os dados precisam ser enviados de A para B, eles devem ser protegidos. A criptografia combina dados com uma chave segura distribuída entre remetente e destinatário para que ambos possam acessar os dados. Um terceiro não deve ser capaz de descobrir a chave enquanto ela está sendo transmitida; caso contrário, a criptografia será comprometida. A troca de chaves é, portanto, essencial na criptografia de dados.

A distribuição quântica de chaves (QKD) é uma tecnologia avançada na qual os pesquisadores estão trabalhando para trocas cruciais. A tecnologia garante a troca de chaves criptográficas usando luz de partículas da mecânica quântica chamadas fótons.

Quando um remetente envia informações codificadas em fótons, as propriedades da mecânica quântica dos fótons são exploradas para criar uma chave exclusiva para o remetente e o destinatário. As tentativas de outros de medir ou observar fótons em um estado quântico mudarão instantaneamente seu estado. Portanto, fisicamente só é possível medir a luz perturbando o sinal.

“É impossível fazer uma cópia de um estado quântico, como quando se faz uma cópia de uma folha A4 – se você tentar, será uma cópia inferior. infra-estruturas críticas, como os registos de saúde e o sector financeiro, sejam hackeadas", explica Gehring.

Funciona através da infraestrutura existente

A tecnologia CV QKD pode ser integrada à infraestrutura de Internet existente.

“A vantagem de usar essa tecnologia é que podemos construir um sistema que se assemelha ao que a comunicação óptica já utiliza.”

A espinha dorsal da Internet é a comunicação óptica. Funciona enviando dados via luz infravermelha que passa por fibras ópticas. Eles funcionam como guias de luz colocados em cabos, garantindo que possamos enviar dados para todo o mundo. Os dados podem ser enviados mais rapidamente e por distâncias maiores através de cabos de fibra óptica, e os sinais de luz são menos suscetíveis a interferências, o que é chamado de ruído em termos técnicos.

“É uma tecnologia padrão que já é usada há muito tempo. Portanto, não é necessário inventar nada novo para poder usá-la para distribuir chaves quânticas, e isso pode tornar a implementação significativamente mais barata. temperatura ambiente", explica Gehring. "Mas a tecnologia CV QKD funciona melhor em distâncias mais curtas. Nossa tarefa é aumentar a distância. E os 100 quilômetros são um grande passo na direção certa."

Ruído, erros e assistência do aprendizado de máquina

Os pesquisadores conseguiram aumentar a distância abordando três fatores que limitam seu sistema na troca de chaves criptografadas quânticas em distâncias mais longas:

O aprendizado de máquina forneceu medições anteriores dos distúrbios que afetam o sistema. O ruído, como são chamados esses distúrbios, pode surgir, por exemplo, da radiação eletromagnética, que pode distorcer ou destruir os estados quânticos transmitidos. A detecção precoce do ruído permitiu reduzir de forma mais eficaz o seu efeito correspondente.

Além disso, os pesquisadores melhoraram na correção de erros que podem ocorrer ao longo do caminho, que podem ser causados ​​por ruídos, interferências ou imperfeições no hardware.

"No nosso próximo trabalho, utilizaremos a tecnologia para estabelecer uma rede de comunicação segura entre os ministérios dinamarqueses para proteger a sua comunicação. Também tentaremos gerar chaves secretas entre, por exemplo, Copenhaga e Odense para permitir que empresas com filiais em ambas as cidades possam estabelecer comunicação quântica segura", diz Gehring.

Ainda não sabemos exatamente o que acontece

O QKD foi desenvolvido como um conceito em 1984 por Bennett e Brassard, enquanto o físico canadense e pioneiro da computação Artur Ekert e seus colegas realizaram a primeira implementação prática do QKD em 1992. Sua contribuição foi crucial para o desenvolvimento de protocolos modernos de QKD, um conjunto de regras, procedimentos ou convenções que determinam como um dispositivo deve executar uma tarefa.

QKD é baseado em uma incerteza fundamental na cópia de fótons em um estado quântico. Os fótons são as partículas da mecânica quântica que compõem a luz.

Os fótons em um estado quântico carregam uma incerteza fundamental, o que significa que não é possível saber com certeza se o fóton é um ou vários fótons coletados em um determinado estado, também chamados de fótons coerentes. Isso evita que um hacker meça o número de fótons, impossibilitando fazer uma cópia exata de um estado.

Eles também carregam uma aleatoriedade fundamental porque os fótons estão em vários estados simultaneamente, também chamados de superposição. A superposição de fótons entra em colapso em um estado aleatório quando a medição ocorre. Isso torna impossível medir com precisão em que fase eles se encontram durante a superposição.

Juntos, torna-se quase impossível para um hacker copiar uma chave sem introduzir erros, e o sistema saberá se um hacker está tentando invadir e poderá desligar imediatamente. Em outras palavras, torna-se impossível para um hacker primeiro roubar a chave e depois evitar o travamento da porta enquanto tenta colocar a chave na fechadura.

CV QKD concentra-se na medição das propriedades suaves dos estados quânticos em fótons. Pode ser comparado à transmissão de informações em um fluxo de todas as nuances de cores, em vez de transmitir informações passo a passo em cada cor.

Mais informações: Adnan A. E. Hajomer et al, Distribuição de chave quântica variável contínua de longa distância em fibra de 100 km com oscilador local local, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi9474
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