À medida que as comunicações digitais aceleram e as ameaças cibernéticas aumentam, os investigadores estão a trabalhar para desenvolver formas mais seguras de transmitir informações. Uma das abordagens mais promissoras é a criptografia quântica, que utiliza fótons individuais para gerar chaves de criptografia. Uma equipe de pesquisa da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia desenvolveu e testou um novo sistema de distribuição quântica de chaves (QKD) dentro da rede de fibra urbana existente. Seu método usa codificação de alta dimensão e é baseado em um fenômeno óptico bem conhecido chamado efeito Talbot. Os resultados são publicados Óptica quântica, ópticoE A revisão física é aplicada.
“Nossa pesquisa se concentra na distribuição quântica de chaves (QKD) – uma tecnologia que usa um único fóton para estabelecer uma chave criptográfica segura entre duas partes”, disse o Dr. Michal Karpinski, chefe do Laboratório de Fotônica Quântica da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia. “Tradicionalmente, o QKD emprega os chamados qubits – unidades simples de informação quântica. Embora este método já esteja bem testado, ele nem sempre atende aos requisitos de aplicações mais exigentes. É por isso que os pesquisadores estão agora trabalhando com codificação multidimensional. Em vez de qubits, que fornecem um de dois, podemos usar múltiplas medições complexas que podemos considerar medições mais complexas em termos de estado.”
No laboratório, os cientistas estudam superposições de fótons no intervalo de tempo. Nestes estados, um fóton não é detectado simplesmente como uma chegada “antecipada” ou “tardia”, mas existe como uma combinação de ambas as possibilidades. O tempo exato de detecção é aleatório e as informações são codificadas sobre a fase entre esses pulsos de luz.
“Até agora, a detecção eficiente da superposição de dois pulsos – antes e depois – era possível. Demos um passo além: estávamos interessados em mais intervalos de tempo, de dois a quatro ou mais”, disse o Dr.
Usando o efeito Talbot na comunicação quântica
A equipe voltou-se para o efeito Talbot, um fenômeno óptico clássico descrito pela primeira vez por Henry Fox Talbot em 1836.
“Quando a luz passa através de uma rede de dispersão, a sua imagem repete-se em intervalos regulares – como se tivesse sido ‘revivida’ a uma certa distância. Curiosamente, o mesmo efeito ocorre não apenas no espaço, mas também no tempo, desde que um trem regular de pulsos de luz se propague através de um meio de dispersão como uma fibra óptica, “explica Phnikys UDWty, estudante de Física UDY em Ogroty.
Ao aplicar este efeito a sequências de pulsos de luz com fótons únicos, os pesquisadores criaram um sistema onde os sinais podem se reconstruir ao longo do tempo à medida que viajam através das fibras ópticas. A forma como esses pulsos se sobrepõem e interferem depende da sua fase, permitindo que diferentes estados quânticos sejam identificados e medidos.
“Graças à analogia do espaço-tempo na óptica, podemos aplicar o efeito Talbot a pulsos de luz curtos com fótons únicos – levando a novas capacidades de análise e processamento de estados quânticos. No nosso caso, uma sequência de pulsos de luz atua como uma rede de difração e pode ‘auto-restaurar’ depois de percorrer alguma distância. A forma como os pulsos interferem depende de sua fase, o que nos permite detectar diferentes tipos de superposições.”
Projeto simples de sistema de distribuição de chaves quânticas
Os pesquisadores desenvolveram um sistema QKD experimental capaz de operar em quatro dimensões.
“É importante ressaltar que toda a configuração é construída usando componentes disponíveis comercialmente. O principal truque é que o sistema requer apenas um detector de fótons para registrar a superposição de muitos pulsos – em vez de uma rede complexa de interferômetros”, disse Adam Widomsky, estudante de doutorado no Departamento de Física da UW.
Este design reduz significativamente o custo e a complexidade técnica. Também elimina a necessidade de calibração frequente e precisa do receptor, o que é um grande desafio nos sistemas tradicionais.
“Tradicionalmente, para detectar a diferença de fase entre os pulsos, usamos uma configuração multi-interferômetro – algo como uma árvore, onde os pulsos são divididos e atrasados. Infelizmente, tais sistemas são ineficientes, uma vez que alguns resultados de medição são inúteis. A eficiência diminui com o número de pulsos, e a audibilidade e a especificidade do receptor precisam ser interpretadas.
“A vantagem do nosso método é sua alta eficiência, porque todos os eventos de detecção de fótons são eficazes. O erro é uma taxa de erro de medição relativamente alta. No entanto, eles não impedem QKD, como mostramos em colaboração com pesquisadores que trabalham na teoria da criptografia quântica. Além disso, não precisamos reconstruir a configuração com detecção de superposição 4 e sem detecção de superposição 4. Esta é uma enorme vantagem em comparação com métodos anteriores de alteração de hardware ou estabilização do receptor, “acrescenta Widomsky.
Testes reais e melhorias de segurança
O sistema foi testado numa configuração de fibra de laboratório e vários quilómetros através da rede de fibra existente da Universidade de Varsóvia.
“Graças ao novo método que usa o efeito Talbot temporal, demonstramos com sucesso QKD com codificação bidimensional e quadridimensional usando o mesmo transmissor e receptor. Apesar dos erros inerentes ao método experimental usual, nossos resultados confirmam a maior eficiência de informação do sistema resultante da codificação de alta dimensão, “disse Widomski.
A distribuição de chaves quânticas é valorizada por sua segurança comprovável sob certas suposições. Para garantir a robustez da sua abordagem, a equipa colaborou com especialistas de Itália e Alemanha especializados em análise de segurança QKD.
“Uma análise mais detalhada mostra que a descrição padrão de muitos protocolos QKD está incompleta, o que pode ser explorada por invasores. Infelizmente, nosso método compartilha essa fraqueza. Participamos do esforço para resolver esse problema. Nossos colaboradores descobriram que uma certa modificação do receptor permitiu coletar mais dados, revelando assim a capacidade do novo protocolo de eliminar a segurança. A revisão física foi implementada e em nosso último artigo discutimos sua aplicação em nossos experimentos “, disse Ogrodnik.
Avanços na pesquisa em fotônica quântica
Além de demonstrar um novo método de comunicação, o projeto reforçou a experiência da Universidade de Varsóvia em fotónica quântica avançada.
O trabalho foi realizado no âmbito do Programa Internacional Quantera sobre Tecnologias Quânticas coordenado pelo Centro Nacional de Ciência (NCN, Polônia). Os pesquisadores também utilizaram as instalações do Laboratório Nacional de Fotônica e Tecnologias Quânticas (NLPQT) da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.
