Cientistas alcançam a primeira distribuição de chaves quânticas intermunicipais com fonte de fóton único determinística

Métodos convencionais de criptografia dependem de algoritmos matemáticos complexos e dos limites do poder de computação atual. No entanto, com o surgimento dos computadores quânticos, esses métodos estão se tornando cada vez mais vulneráveis, necessitando de distribuição de chaves quânticas (QKD).

QKD é uma tecnologia que alavanca as propriedades únicas da física quântica para proteger a transmissão de dados. Este método tem sido continuamente otimizado ao longo dos anos, mas estabelecer grandes redes tem sido desafiador devido às limitações das fontes de luz quântica existentes.

Em um novo artigo publicado em Luz: Ciência e Aplicaçõesuma equipe de cientistas na Alemanha realizou o primeiro experimento QKD intermunicipal com uma fonte de fóton único determinística, revolucionando a maneira como protegemos nossas informações confidenciais contra ameaças cibernéticas.

A equipe foi liderada pelo professor Fei Ding da Universidade Leibniz de Hannover (LUH), pelo professor Stefan Kück da Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), pelo professor Peter Michler da Universidade de Stuttgart e outros colegas de trabalho.

Pontos quânticos semicondutores (QDs), chamados de átomos artificiais no mundo quântico, mostram grande potencial para iluminar luzes quânticas usadas em tecnologias de informação quântica. Essa descoberta revela a viabilidade de fontes de fótons únicos semicondutores para uma internet quântica segura de longa distância na vida real.

O professor Fei Ding explicou: “Trabalhamos com pontos quânticos, que são estruturas minúsculas semelhantes a átomos, mas adaptadas às nossas necessidades. Pela primeira vez, usamos esses ‘átomos artificiais’ em um experimento de comunicação quântica entre duas cidades diferentes. Essa configuração, conhecida como ‘Niedersachsen Quantum Link’, conecta Hannover e Braunschweig por meio de fibra óptica.”

O experimento intermunicipal foi realizado no estado federal alemão da Baixa Saxônia, no qual uma fibra implantada de aproximadamente 79 km de comprimento conecta a Universidade Leibniz de Hannover (LUH) e a Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig.

Alice, localizada no LUH, prepara estaticamente fótons individuais que são criptografados em polarização. Bob, localizado no PTB, contém um decodificador de polarização passiva para descriptografar os estados de polarização dos fótons individuais recebidos, vindos através dos canais quânticos baseados em fibra. Este também é o primeiro link de comunicação quântica na Baixa Saxônia da Alemanha.

Como resultado, os pesquisadores conseguiram uma transmissão estável e rápida de chaves secretas.

Eles primeiro verificaram que taxas de chaves secretas positivas (SKRs) são determinadas como atingíveis para distâncias de até 144 km, correspondendo a uma perda de 28,11 dB no laboratório. Uma transmissão de chave secreta de alta taxa com uma baixa taxa de erro de bit quântico (QBER) por 35 horas foi garantida com base neste link de fibra implantado.

“A análise comparativa com sistemas QKD existentes envolvendo SPS revela que o SKR alcançado neste trabalho vai além de todas as implementações atuais baseadas em SPS. Mesmo sem otimização adicional da fonte e do desempenho de configuração, ele se aproxima dos níveis atingidos por protocolos QKD de estado de chamariz estabelecidos com base em pulsos coerentes fracos”, observou o primeiro autor do trabalho, Dr. Jingzhong Yang.

Os pesquisadores especulam que os QDs também oferecem grande perspectiva para a realização de outras aplicações de internet quântica, como repetidores quânticos, sensoriamento quântico distribuído, pois permitem o armazenamento inerente de informações quânticas e podem emitir estados de cluster fotônico. O resultado deste trabalho ressalta a viabilidade de integrar perfeitamente fontes de fótons únicos semicondutores em redes de comunicação quântica realistas, de grande escala e alta capacidade.

A necessidade de comunicação segura é tão antiga quanto a própria humanidade. A comunicação quântica usa as características quânticas da luz para garantir que as mensagens não possam ser interceptadas. “Dispositivos de ponto quântico emitem fótons únicos, que controlamos e enviamos para Braunschweig para medição. Esse processo é fundamental para a distribuição de chaves quânticas”, disse Ding.

“Alguns anos atrás, nós apenas sonhávamos em usar pontos quânticos em cenários de comunicação quântica do mundo real. Hoje, estamos entusiasmados em demonstrar seu potencial para muitos experimentos e aplicações fascinantes no futuro, caminhando em direção a uma ‘internet quântica’.”