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Pesquisadores da Penn Engineering criaram um chip que supera a segurança e a robustez do hardware de comunicação quântica existente. Sua tecnologia se comunica em “qudits”, dobrando o espaço de informação quântica de qualquer laser anterior no chip.
Liang Feng, Professor nos Departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) e Engenharia e Sistemas Elétricos (ESE), juntamente com o pós-doutorado MSE Zhifeng Zhang e o Ph.D. ESE. estudante Haoqi Zhao, estreou a tecnologia em um estudo recente publicado na Natureza. O grupo trabalhou em colaboração com cientistas da Universidade Politécnica de Milão, do Institute for Cross-Disciplinary Physics and Complex Systems, da Duke University e da City University of New York (CUNY).
Bits, Qubits e Qudits
Enquanto os chips não quânticos armazenam, transmitem e calculam dados usando bits, os dispositivos quânticos de última geração usam qubits. Os bits podem ser 1s ou 0s, enquanto os qubits são unidades de informação digital capazes de ser 1 e 0 ao mesmo tempo. Na mecânica quântica, esse estado de simultaneidade é chamado de “superposição”.
Um bit quântico em um estado de superposição maior que dois níveis é chamado de qudit para sinalizar essas dimensões adicionais.
“Nas comunicações clássicas”, diz Feng, “um laser pode emitir um pulso codificado como 1 ou 0. Esses pulsos podem ser facilmente clonados por um interceptador que procura roubar informações e, portanto, não são muito seguros. Em comunicações quânticas com qubits, o pulso pode ter qualquer estado de superposição entre 1 e 0. A superposição faz com que um pulso quântico não possa ser copiado. Ao contrário da criptografia algorítmica, que bloqueia hackers usando matemática complexa, a criptografia quântica é um sistema físico que mantém as informações seguras.”
Qubits, no entanto, não são perfeitos. Com apenas dois níveis de superposição, os qubits têm espaço de armazenamento limitado e baixa tolerância a interferências.
Os qudits de quatro níveis do dispositivo Feng Lab permitem avanços significativos na criptografia quântica, elevando a taxa máxima de chave secreta para troca de informações de 1 bit por pulso para 2 bits por pulso. O dispositivo oferece quatro níveis de superposição e abre a porta para maiores aumentos de dimensão.
“O maior desafio”, diz Zhang, “foi a complexidade e não escalabilidade da configuração padrão. Já sabíamos como gerar esses sistemas de quatro níveis, mas exigia um laboratório e muitas ferramentas ópticas diferentes para controlar todos os parâmetros associados com o aumento de dimensão. Nosso objetivo era conseguir isso em um único chip. E foi exatamente isso que fizemos.”
A Física da Cibersegurança
A comunicação quântica usa fótons em estados de superposição rigidamente controlados. Propriedades como localização, momento, polarização e spin existem como multiplicidades no nível quântico, cada uma das quais é governada por probabilidades. Essas probabilidades descrevem a probabilidade de um sistema quântico – um átomo, uma partícula, uma onda – assumir um único atributo quando medido.
Em outras palavras, os sistemas quânticos não estão nem aqui nem lá. Eles estão aqui e ali. É apenas o ato de observação – detectar, olhar, medir – que faz com que um sistema quântico assuma uma propriedade fixa. Como um jogo subatômico de Estátuas, as superposições quânticas assumem um único estado assim que são observadas, impossibilitando sua interceptação sem detecção ou cópia.
O microlaser de órbita giratória hiperdimensional se baseia no trabalho anterior da equipe com microlasers de vórtice, que ajustam com sensibilidade o momento angular orbital (OAM) dos fótons. O dispositivo mais recente atualiza as capacidades do laser anterior adicionando outro nível de comando sobre o spin fotônico.
Este nível adicional de controle – ser capaz de manipular e acoplar OAM e girar – é o avanço que lhes permitiu alcançar um sistema de quatro níveis.
A dificuldade de controlar todos esses parâmetros ao mesmo tempo é o que tem dificultado a geração de qudit na fotônica integrada e representa a maior realização experimental do trabalho da equipe.
“Pense nos estados quânticos de nosso fóton como dois planetas empilhados um sobre o outro”, diz Zhao. “Antes, tínhamos apenas informações sobre a latitude desses planetas. Com isso, poderíamos criar no máximo dois níveis de superposição. Não tínhamos informações suficientes para empilhá-los em quatro. Agora, temos também a longitude. Isso é a informação de que precisamos para manipular os fótons de forma acoplada e alcançar o aumento dimensional. Estamos coordenando a rotação e rotação de cada planeta e mantendo os dois planetas em relação estratégica um com o outro.”
Criptografia quântica com Alice, Bob e Eve
A criptografia quântica depende da superposição como um selo inviolável. Em um protocolo de criptografia popular conhecido como Quantum Key Distribution (QKD), estados quânticos gerados aleatoriamente são enviados entre o remetente e o destinatário para testar a segurança de um canal de comunicação.
Se o remetente e o destinatário (sempre Alice e Bob no mundo da criptografia) descobrirem uma certa discrepância entre suas mensagens, eles saberão que alguém tentou interceptar sua mensagem. Mas, se a transmissão permanecer praticamente intacta, Alice e Bob entendem que o canal é seguro e usam a transmissão quântica como uma chave para mensagens criptografadas.
Como isso melhora a segurança da comunicação não quântica? Se imaginarmos o fóton como uma esfera girando para cima, podemos ter uma ideia aproximada de como um fóton pode codificar classicamente o dígito binário 1. Se o imaginarmos girando para baixo, entenderemos 0.
Quando Alice envia fótons clássicos codificados em bits, Eve, a bisbilhoteira, pode roubá-los, copiá-los e substituí-los sem que Alice ou Bob percebam. Mesmo que Eve não consiga descriptografar os dados que roubou, ela pode estar guardando-os para um futuro próximo, quando os avanços na tecnologia de computação permitirem que ela rompa.
A comunicação quântica adiciona uma camada mais forte de segurança. Se imaginarmos o fóton como uma esfera girando para cima e para baixo ao mesmo tempo, codificando 1 e 0 simultaneamente, temos uma ideia de como um qubit mantém a dimensão em seu estado quântico.
Quando Eve tentar roubar, copiar e substituir o qubit, sua capacidade de capturar as informações será comprometida e sua adulteração será aparente na perda de superposição. Alice e Bob saberão que o canal não é seguro e não usarão uma chave de segurança até que possam provar que Eve não o interceptou. Só então eles enviarão os dados criptografados pretendidos usando um algoritmo ativado pela chave qubit.
No entanto, embora as leis da física quântica possam impedir que Eve copie o qubit interceptado, ela pode perturbar o canal quântico. Alice e Bob precisarão continuar gerando chaves e enviando-as para frente e para trás até que ela pare de interferir. Distúrbios acidentais que colapsam a superposição à medida que o fóton viaja pelo espaço também contribuem para os padrões de interferência.
O espaço de informação de um qubit, limitado a dois níveis, tem baixa tolerância para esses erros.
Para resolver esses problemas, a comunicação quântica requer dimensões adicionais. Se imaginarmos um fóton girando (a maneira como a Terra gira em torno do Sol) e girando (a maneira como a Terra gira em seu próprio eixo) em duas direções diferentes ao mesmo tempo, temos uma noção de como funcionam os qudits do Feng Lab.
Se Eve tentar roubar, copiar e substituir o qudit, ela não conseguirá extrair nenhuma informação e sua adulteração será clara. A mensagem enviada terá uma tolerância muito maior para erros – não apenas pela interferência de Eve, mas também por falhas acidentais introduzidas à medida que a mensagem viaja pelo espaço. Alice e Bob poderão trocar informações de forma eficiente e segura.
“Há muita preocupação”, diz Feng, “que a criptografia matemática, não importa o quão complexa seja, se tornará cada vez menos eficaz porque estamos avançando tão rapidamente nas tecnologias de computação. A dependência da comunicação quântica em barreiras físicas, em vez de matemáticas, torna-a imune a essas ameaças futuras. É mais importante do que nunca que continuemos a desenvolver e refinar as tecnologias de comunicação quântica.”
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