À medida que as comunicações digitais aceleram e as ameaças online continuam a aumentar, os investigadores estão a trabalhar arduamente para desenvolver formas mais seguras de transmitir informações. Um dos métodos mais promissores é a criptografia quântica, que utiliza fótons únicos para gerar chaves de criptografia. Uma equipe de pesquisa da Escola de Física da Universidade de Varsóvia criou e testou um novo sistema de distribuição quântica de chaves (QKD) nas redes urbanas de fibra óptica existentes. Seu método usa codificação de alta dimensão e é baseado em um fenômeno óptico bem conhecido chamado efeito Talbot. Os resultados da pesquisa foram publicados em Óptica quântica, Ópticoe Revisões de Física Aplicada.
“Nossa pesquisa se concentra na distribuição quântica de chaves (QKD), uma tecnologia que usa fótons únicos para estabelecer uma chave segura entre duas partes”, disse o Dr. Michał Karpiński, 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.
No laboratório, os cientistas estudam a superposição de períodos de tempo dos fótons. Nestes estados, os fótons são detectados não apenas como chegando “cedo” ou “tarde”, mas como uma combinação de ambas as possibilidades. O momento exato da detecção é aleatório e a mensagem é codificada na relação de fase entre esses pulsos de luz.
“Até agora, foi possível detectar com eficácia a superposição de dois pulsos (anterior e posterior). Demos um passo além: estamos interessados em casos com mais períodos de tempo, variando de dois a quatro ou até mais”, acrescenta o Dr.
Usando o efeito Talbot em comunicações quânticas
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 por uma rede de difração, sua imagem se repete em intervalos regulares, como se tivesse sido ‘ressuscitada’ a uma certa distância. Curiosamente, enquanto um trem regular de pulsos de luz se propaga em um meio dispersivo, como uma fibra óptica, o mesmo efeito ocorre não apenas no espaço, mas também no tempo, “explica Maciej Ogrodnik, estudante de doutorado na Escola de Física da UW.
Ao aplicar este efeito a sequências de pulsos de luz, incluindo fótons únicos, os pesquisadores criaram um sistema no qual o sinal pode se reconstruir efetivamente ao longo do tempo, à medida que se propaga através da fibra. 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, incluindo fótons únicos, ganhando assim novas habilidades para analisar e manipular estados quânticos. No nosso caso, uma série de pulsos de luz atua como uma rede de difração que, após se propagar uma certa distância na fibra, pode se ‘auto-reconstruir’ no tempo sob dispersão. Além disso, a forma como os pulsos interferem depende de sua superposição de fases, o que nos permite detectar diferenças. “
Design mais simples do sistema de distribuição de chaves quânticas
Os pesquisadores construíram um sistema QKD experimental que opera em quatro dimensões.
“É importante ressaltar que todo o dispositivo foi construído usando componentes disponíveis comercialmente. O principal truque é que o sistema requer apenas um único detector de fótons para registrar a superposição de muitos pulsos, em vez de uma rede complexa de interferômetros, “disse Adam Widomski, estudante de doutorado na Escola 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 – semelhante a uma árvore, onde os pulsos são divididos e atrasados. Infelizmente, tais sistemas são ineficientes porque algumas medições são inúteis. A eficiência diminui à medida que o número de pulsos aumenta, e o receptor requer calibração e estabilização precisas”, explica Ogrodnik.
Widomski acrescentou: “A vantagem do nosso método é que ele é eficiente, uma vez que todos os eventos de detecção de fótons são úteis. A desvantagem é que a taxa de erro de medição é relativamente alta. No entanto, como mostramos em colaboração com pesquisadores que trabalham na teoria da criptografia quântica, isso não impede o QKD. Além disso, não precisamos reconstruir a configuração para superposições de diferentes dimensões – podemos detectar situações importantes em um estabilizador sem grandes mudanças no hardware ou no estabilizador. “
Testes reais e melhorias de segurança
O sistema foi testado numa instalação laboratorial de fibra óptica e em vários quilómetros de rede de fibra óptica existente na Universidade de Varsóvia.
Widomski disse: “Com um novo método usando o efeito Talbot temporal, demonstramos com sucesso QKD para 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 provocada pela codificação de alta dimensão. “
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 italianos e alemães especializados em análise de segurança QKD.
“Uma análise cuidadosa mostra que muitos protocolos QKD têm descrições padrão incompletas que permitem aos invasores explorar vulnerabilidades. Infelizmente, nossa abordagem também sofre com essa vulnerabilidade. Estamos envolvidos em esforços para resolver esse problema. Nossos colaboradores descobriram que certas modificações no receptor podem coletar mais dados, eliminando assim a vulnerabilidade. Uma prova de segurança do novo protocolo foi publicada na Physical Review Applied, e em nosso artigo mais recente, dizemos
Avançando na pesquisa em fotônica quântica
Além de demonstrar um novo método de comunicação, o projeto reforça a experiência da Universidade de Varsóvia em fotónica quântica avançada.
Este trabalho foi realizado no âmbito do programa internacional de tecnologias quânticas QuantERA, coordenado pelo Centro Nacional de Ciências (NCN, Polónia). Os pesquisadores também utilizaram as instalações do Laboratório Nacional de Fotônica e Tecnologias Quânticas (NLPQT), Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.
