À medida que a comunicação digital acelera e as ameaças cibernéticas continuam a crescer, 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 criou e testou um novo sistema de distribuição quântica de chaves (QKD) em redes urbanas fibra a fibra existentes. Sua abordagem usa codificação de alta dimensão e é baseada em um fenômeno óptico bem conhecido chamado efeito Talbot. As descobertas foram publicadas em Óptica quântica, ÓPTICOe Exame físico aplicado.
“Nossa pesquisa se concentra na distribuição quântica de chaves (QKD), uma tecnologia que usa fótons únicos 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 usa os chamados qubits – as unidades mais simples de informação quântica. Embora este método já esteja bem comprovado, ele nem sempre atende aos requisitos de aplicações mais exigentes. É por isso que os pesquisadores estão agora trabalhando na codificação multidimensional. Em vez de qubits, que fornecem um de dois resultados de medição, usamos estados quânticos mais complexos que podem assumir vários valores.”
No laboratório, os cientistas estudam superposições de fótons ao longo do tempo. Nestes estados, o fóton não aparece simplesmente como “precoce” ou “tardio”, mas existe como uma combinação de ambas as possibilidades. O momento exato da detecção é aleatório e a informação é codificada na relação de fase entre esses pulsos de luz.
“Até agora era possível detectar com eficácia superposições de dois pulsos – anteriores e posteriores. Fomos ainda mais longe: estamos interessados em casos com maior número de intervalos de tempo, variando de dois a quatro ou até mais”, acrescenta 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 em 1836 por Henry Fox Talbot.
“Quando a luz passa através de uma rede de difração, sua imagem se repete em intervalos regulares – como se ‘ganhasse vida’ 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 seja propagado em um meio dispersivo, como uma fibra óptica, “explica Matej Ogrodnik, um estudante de pós-graduação no Departamento de Física da UW.
Ao aplicar este efeito a sequências de pulsos de luz, incluindo fótons únicos, os pesquisadores criaram um sistema no qual os sinais podem ser reconstruídos de forma eficiente ao longo do tempo, à medida que viajam por uma fibra óptica. A forma como esses pulsos se sobrepõem e interagem depende de 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, incluindo fótons únicos, ganhando assim novas oportunidades para a análise e processamento de estados quânticos. No nosso caso, a sequência de pulsos de luz atua como uma rede de difração e pode se “auto-reconstruir” no tempo durante a dispersão após percorrer alguma distância na fibra óptica. Além disso, a forma como os pulsos interferem depende de sua fase, o que nos permite detectar diferentes tipos de superposições. ‘
Um design mais simples de um sistema quântico de distribuição de chaves
Os pesquisadores criaram um sistema QKD experimental capaz de operar em quatro dimensões.
“O importante é que toda a configuração seja construída usando componentes disponíveis comercialmente. O principal truque é que o sistema só precisa de um detector de fótons para registrar a superposição de muitos pulsos – em vez de uma rede complexa de interferômetros”, diz Adam Widamsky, estudante de pós-graduação 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, que é um grande problema nos sistemas tradicionais.
“Tradicionalmente, para detectar a diferença de fase entre os pulsos, usamos um multiinterferômetro – algo como uma árvore, onde os pulsos são divididos e atrasados. Infelizmente, esses sistemas são ineficientes, pois alguns resultados de medição são inúteis. A eficiência cai com o aumento no número de pulsos, e o receptor requer calibração e estabilização precisas”, explica Ogrodnik.
“A vantagem do nosso método é sua alta eficiência, uma vez que todos os eventos de detecção de fótons são úteis. A desvantagem é a taxa de erro de medição relativamente alta. No entanto, isso não impede o QKD, como mostramos em colaboração com pesquisadores que trabalham na teoria da criptografia quântica. Além disso, não precisamos reorganizar as configurações para diferentes medições de superposição – podemos detectar superposições 2D e 4D sem alterar o hardware ou estabilizar o receptor, o que é uma grande vantagem em comparação com os métodos anteriores”, acrescenta Vidamsky.
Testes reais e melhorias de segurança
O sistema foi testado tanto em instalações laboratoriais de fibra óptica como na rede de fibra óptica existente da Universidade de Varsóvia ao longo de vários quilómetros.
“Graças ao novo método usando o efeito Talbot temporal, demonstramos com sucesso QKD com codificação bidimensional e quadridimensional usando o mesmo transmissor e receptor. Apesar dos erros inerentes à abordagem experimental simples, nossos resultados confirmam a maior eficiência de informação do sistema como resultado da codificação de alta dimensão, “diz Vidamsky.
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 vulnerabilidade. Estivemos envolvidos em esforços para resolver esse problema. Nossa equipe descobriu que uma certa modificação do receptor permite coletar mais dados, eliminando assim a vulnerabilidade. A prova de segurança do novo protocolo foi publicada na Physical Review Applied, e em nosso último artigo discutimos sua aplicação em nosso experimento”, diz Agrodnik.
Avanço na pesquisa em fotônica quântica
Além de demonstrar um novo método de comunicação, o projeto reforçou a especialização em fotónica quântica avançada na Universidade de Varsóvia.
O trabalho foi realizado no âmbito do programa internacional de tecnologias quânticas QuantERA, que é coordenado pelo Centro Nacional de Ciência (NCN, Polónia). Os pesquisadores também utilizaram equipamentos do Laboratório Nacional de Fotônica e Tecnologias Quânticas (NLPQT) da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.
