A distribuição quântica de chaves (QKD) é uma abordagem moderna para comunicações seguras usando as leis da mecânica quântica. Isso permite que duas partes gerem uma chave secreta compartilhada, mesmo que alguém observe secretamente a conexão. O poder do QKD reside na própria física. Qualquer tentativa de interceptar os sinais quânticos os perturba, criando erros detectáveis que alertam os usuários sobre possíveis espionagens.
Devido a esse recurso de detecção integrado, o QKD é considerado uma das tecnologias de comunicação mais seguras em desenvolvimento.
Como os erros de apontamento afetam o desempenho do QKD
Um fator importante que afeta o funcionamento do QKD é o erro de apontamento, que ocorre quando o transmissor e o receptor não estão perfeitamente alinhados. Mesmo um ligeiro desalinhamento pode interferir na troca de sinais quânticos. Isso pode ocorrer por vários motivos, incluindo vibração mecânica, turbulência atmosférica e/ou imperfeições no sistema de alinhamento.
Embora o erro de apontamento desempenhe um papel importante na confiabilidade do sistema, ele não foi completamente estudado em sistemas de comunicação óptica sem fio (OWC) QKD.
Uma nova estrutura analítica para desalinhamento de vigas
Para entender melhor essa questão, pesquisadores publicaram um estudo Jornal IEEE de Eletrônica Quântica que introduz um modelo analítico detalhado para quantificar como o erro de apontamento afeta o desempenho do sistema QKD OWC.
“Ao combinar modelos estatísticos de desalinhamento de feixe com a teoria quântica de detecção de fótons, desenvolvemos expressões analíticas para indicadores-chave de desempenho de sistemas QKD, o que esclarece o papel exato de apontar erros na degradação da geração segura de chaves”, explica o professor Yalkin Ata da Universidade Técnica OSTIM, Turquia.
A equipe se concentrou no protocolo BB84 QKD amplamente utilizado. Para modelar a distorção do feixe de forma mais realista, aplicaram as distribuições Rayleigh e Hoyt. Essas ferramentas estatísticas representam variações horizontais e verticais do feixe com mais precisão do que métodos simplificados usados em estudos anteriores, levando a uma imagem mais clara de como os erros de apontamento aleatório se comportam.
Medição da taxa de erros e geração segura de chaves
Usando esses modelos estatísticos avançados, os pesquisadores verificaram a expressão analítica do erro e a probabilidade do erro de apontamento, identificado pela primeira vez na área. A partir daí, eles calcularam a taxa de erro quântico de bits (QBER), que reflete a porcentagem de bits corrompidos causados por ruído do sistema, condições ambientais, imperfeições de hardware ou tentativas de escuta. Por capturar a confiabilidade geral do sistema, o QBER é um indicador-chave de desempenho.
Eles então usam o QBER para determinar a taxa de chave secreta (SKR), que mede a rapidez com que uma chave compartilhada segura pode ser gerada. A análise considerou tanto o desalinhamento simétrico da viga quanto as condições assimétricas, onde as deflexões horizontais e verticais são diferentes.
O que os resultados revelam sobre a segurança quântica
Os resultados mostram que à medida que a cintura do feixe aumenta, o erro de apontamento também aumenta, resultando em maior QBER e menor SKR. Em outras palavras, o desempenho diminui à medida que o desalinhamento se torna mais pronunciado. Ampliar a abertura do receptor pode melhorar os resultados, mas apenas até um certo limite.
Curiosamente, o desalinhamento assimétrico do feixe provou ser benéfico em alguns casos, proporcionando melhor desempenho do que o desalinhamento perfeitamente equilibrado. Os pesquisadores também determinaram que a criação de um SKR diferente de zero, essencial para uma comunicação segura, deveria aumentar o número médio de fótons transmitidos.
“Nossos resultados, baseados na estrutura de Rayleigh e Hoyt, são consistentes com os modelos generalizados existentes, ao mesmo tempo que fornecem nova clareza analítica sobre o papel da assimetria nos erros dos indicadores”, conclui o professor Atta.
