Pesquisadores da China marcam um salto quântico

“Aqueles que não ficam chocados quando se deparam com a teoria quântica não podem tê-la entendido.”
–  Niels Bohr

No estranho mundo da mecânica quântica, as leis da física como as conhecemos são jogadas pela janela.

Em outras palavras, a realidade não é exatamente o que pensamos que é.

Por exemplo …

Hoje, os dados confidenciais são normalmente criptografados e enviados por cabos de fibra óptica e outros canais junto com as “chaves” digitais necessárias para decodificar as informações.

Os dados e as teclas são enviados como bits clássicos – um fluxo de impulsos eléctricos ou ópticos que representam  1 s e  0 s. E isso os torna vulneráveis.

Hackers inteligentes podem ler e copiar bits em trânsito sem deixar rastros. Mesmo se o cabo estiver no fundo do oceano, ele pode ser acessado e hackeado.

Ao longo da história, a batalha entre criptografia e descriptografia nunca termina.

Entre na comunicação quântica, que tira proveito das leis da física quântica para proteger os dados.

Essas leis permitem que as partículas – normalmente fótons de luz para transmitir dados ao longo de cabos ópticos – assumam um estado de superposição, o que significa que podem representar várias combinações de  1  e  0  simultaneamente.

As partículas são conhecidas como bits quânticos ou qubits.

A beleza dos qubits de uma perspectiva de segurança cibernética é que, se um hacker tenta observá-los em trânsito, seu estado quântico superfrágil “colapsa” para  1  ou  0 .

Isso significa que um hacker não pode alterar os qubits sem deixar para trás um sinal revelador da atividade.

Em um gigantesco passo tecnológico em direção a este fim, os cientistas chineses estabeleceram a primeira rede de comunicação quântica integrada do mundo, combinando mais de 700 fibras ópticas no solo com dois links terra-satélite para alcançar a distribuição quântica de chaves em uma distância total de 4.600 quilômetros por usuários em todo o país, relatou o Phys.Org .

A equipe, liderada por Jianwei Pan, Yuao Chen e Chengzhi Peng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei, relatou na  Nature  seus últimos avanços em direção à aplicação prática global de tal rede para comunicações futuras.

Ao contrário da criptografia convencional, a comunicação quântica é considerada “indecifrável” e, portanto, o futuro da transferência segura de informações para governos, bancos, redes de energia e outros setores.

Na década de 1980, os pesquisadores desenvolveram um método teórico para gerar chaves seguras usando a mecânica quântica.

Eles descobriram que as chaves seguras podiam ser codificadas nas propriedades quânticas de partículas individuais e trocadas secretamente de um lado para outro.

A vantagem desta “distribuição de chave quântica” (QKD) é que a física quântica determina que o próprio ato de observar uma partícula a altera de forma irreparável.

Portanto, qualquer espião que tentasse interceptar a chave quântica poderia ser imediatamente detectado pelas mudanças nas partículas.

Até agora, a tecnologia QKD mais comum usa fibras ópticas para transmissões por várias centenas de quilômetros, com alta estabilidade, mas considerável perda de canal.

Os materiais nos cabos podem absorver fótons, o que significa que normalmente não podem viajar por mais do que algumas dezenas de quilômetros. Em uma rede clássica, repetidores em vários pontos ao longo de um cabo são usados ​​para amplificar o sinal para compensar isso.

As redes QKD surgiram com uma solução semelhante, criando “nós confiáveis” em vários pontos. A rede Pequim-Xangai tem 32 deles, por exemplo.

Nessas estações, as chaves quânticas são descriptografadas em bits e, em seguida, criptografadas novamente em um novo estado quântico para sua jornada até o próximo nó.

Outra grande tecnologia QKD usa o espaço livre entre os satélites e as estações terrestres para transmissões de nível de mil quilômetros.

Em 2016, a China lançou o primeiro satélite de comunicação quântica do mundo (QUESS, ou Mozi / Micius) e alcançou o QKD com duas estações terrestres separadas por 2.600 km.

Em 2017, uma rede de fibra óptica com mais de 2.000 km de comprimento foi concluída para QKD entre Pequim e Xangai.

Usando relés confiáveis, a rede de fibra baseada no solo e os links de satélite para o solo foram integrados para atender a mais de 150 usuários industriais em toda a China, incluindo bancos estaduais e locais, redes de energia municipais e sites de governo eletrônico.

Em essência, a conquista indica que a tecnologia de comunicação quântica pode ser usada para futuras aplicações práticas em larga escala.

Da mesma forma, uma rede de comunicação quântica global pode ser estabelecida se as redes quânticas nacionais de diferentes países forem combinadas e se universidades, instituições e empresas se unirem para padronizar os protocolos relacionados.

Nos últimos anos, a equipe testou e melhorou exaustivamente o desempenho de diferentes partes da rede integrada.

Por exemplo, com uma taxa de clock aumentada e protocolo QKD mais eficiente, o QKD satélite-solo agora tem uma taxa média de geração de chave de 47,8 kilobits por segundo, que é 40 vezes mais alta que a taxa anterior.

Os pesquisadores também aumentaram o recorde de QKD terrestre para além de 500 km usando uma nova tecnologia chamada QKD de campo duplo (TF-QKD).

TF-QKD é um novo protocolo QKD extraordinário, que pode superar o limite de distância-taxa fundamental sem repetidores quânticos.

Experimentalmente, o TF-QKD já executou mais de 400 km de fibras de telecomunicações, bem como mais de 1.000 km de espaço livre por meio de links de satélite para o solo.

Esse resultado é possível graças a uma maneira diferente de codificar e recuperar as informações nas portadoras quânticas usadas para o protocolo. 

No TF-QKD, a informação é codificada na fase dos pulsos ópticos preparados pelos dois usuários que desejam estabelecer a comunicação segura, e a chave secreta é recuperada por meio de uma medição de interferência de fóton único feita por um usuário intermediário.

Outro aspecto interessante do TF-QKD é que ele também é independente de dispositivo de medição, o que significa que atende aos mais rígidos padrões de segurança.

Fontes: Phys.Org, Technology Review , Springer Professional , QCALL , University of Science and Technology of China,  Asia Tymes.