Chip que emaranha quatro fótons abre possibilidade de criptografia quântica inviolável

Diferentemente da criptografia clássica, que depende de algoritmos matemáticos, a criptografia quântica garante a segurança com base em princípios físicos. A detecção de espionagem ou interferência é garantida pela alteração inevitável dos estados quânticos envolvidos.

Comparações entre os dois sistemas produzem resultados impressionantes. Supercomputadores clássicos levariam atualmente milhares de anos para quebrar uma criptografia forte, mas será possível decifrar os mesmos códigos em segundos com computadores quânticos suficientemente poderosos.

“Isso ressalta a necessidade urgente de desenvolver e implementar protocolos de segurança quântica que sejam imunes a tais capacidades”, disse Paulo Henrique Dias Ferreira, pesquisador do Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), no estado de São Paulo, Brasil.

Durante um estágio de pós-doutorado na Universidade Politécnica de Milão, na Itália, Ferreira trabalhou com o grupo liderado pelo Professor Roberto Osellame e contribuiu significativamente para a criação e caracterização de estados GHZ (Greenberg-Horne-Zeilinger) de quatro fótons emaranhados em um chip fotônico. A pesquisa é publicada no periódico npj Informação Quântica.

“O estudo combinou tecnologia de pontos quânticos com circuitos fotônicos de vidro, representando um marco no aprimoramento e integração de dispositivos e abrindo novas possibilidades para comunicação quântica segura e eficiente”, disse Ferreira.

No campo da teoria da informação quântica, um estado GHZ é um tipo de estado emaranhado que envolve pelo menos três subsistemas (estados de partículas, qubits ou qudits). Foi estudado pela primeira vez no final da década de 1980 por Daniel Greenberger, Michael Horne e Anton Zeilinger. Neste estudo, os circuitos foram escritos em um chip de vidro por usinagem a laser de femtossegundo, criando guias de onda tridimensionais (3D) que permitiram a manipulação precisa de fótons.

“Escolhemos a produção usando uma matriz de vidro porque era facilmente prototipável. Além disso, a fabricação em um único estágio produz guias de onda 3D, diferentemente da litografia convencional ou da escrita por feixe de elétrons. A reconfigurabilidade do circuito, obtida por meio de deslocadores térmicos, permite o ajuste fino das fases ópticas dos fótons, o que é essencial para a sobreposição desejada”, disse Ferreira.

Ele usou uma analogia para explicar como o dispositivo executa sua função criptográfica. “Imagine que você tem quatro moedas. No estado normal, cada moeda pode estar independentemente na posição cara ou coroa quando lançada aleatoriamente, mas no estado GHZ emaranhado, todos os quatro fótons são conectados de uma maneira especial: quando observados, todas as moedas são cara ou coroa, e uma combinação mista nunca ocorre.

“Este estado pode ser descrito matematicamente como uma sobreposição quântica na qual cada fóton é emaranhado com os outros três, sem análogo clássico. A conexão é tão forte que quando você verifica um fóton, você instantaneamente sabe o estado dos outros três, qualquer que seja a distância entre eles. Na analogia da moeda, uma vez que você descobriu que uma moeda é cara [and not tails]todos os outros devem ser cabeças”, disse ele.

O fenômeno pode ser usado para implementar sistemas de compartilhamento de segredos quânticos, nos quais um regulador compartilha com segurança uma chave com vários participantes. Qualquer tentativa de acesso não autorizado altera as correlações quânticas, permitindo a detecção imediata.

“Por exemplo, se um intruso tenta medir o estado de uma das partículas para obter informações sobre a chave, a medição inevitavelmente fará o estado quântico daquela partícula entrar em colapso e alterar a correlação quântica original entre todas as partículas envolvidas. Quando os participantes legítimos do protocolo comparam parte de seus dados, eles podem detectar discrepâncias causadas por essa interferência”, explicou.

Segundo Ferreira, o uso de estados GHZ em transações comerciais não só fortalecerá a segurança das comunicações como também oferecerá um mecanismo robusto para detecção de intrusos, essencial para proteger dados sensíveis em um mundo cada vez mais digital e interconectado.

“Sistemas quânticos que usam estados GHZ e outros protocolos de emaranhamento oferecem uma solução que não pode ser quebrada nem mesmo pelos computadores quânticos mais avançados, porque qualquer tentativa de interferir em um canal quântico altera o estado das partículas envolvidas, permitindo a detecção imediata de qualquer intruso”, disse ele.

O artigo demonstra a viabilidade de gerar estados GHZ emaranhados de alta fidelidade em um chip fotônico, abrindo caminho para a produção em larga escala de dispositivos quânticos.

“Com avanços contínuos, podemos esperar que esses sistemas sejam integrados às infraestruturas de comunicação e computação, levando a uma nova era de segurança e eficiência”, disse ele.