&bala; Física 18, 126
A eficiência de um esquema de criptografia quântica pode ser melhorada, substituindo lasers atenuados convencionais por fontes de ponto quântico de fóton único.
A física quântica permite métodos de comunicação que garantem a segurança ultimate das mensagens enviadas pelos canais públicos. Mas aproveitar esse nível de sigilo não é tão simples quanto pegar o telefone: antes que qualquer informação seja enviada, os comunicadores devem passar pelo lento processo de criação de uma chave quântica compartilhada usada para criptografar e descriptografar a mensagem. Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) agora tornaram esse processo mais eficiente, gerando a chave usando um ponto quântico de semicondutores em vez de um laser convencional (1). A equipe demonstrou o método compartilhando uma chave quântica entre os edifícios no campus da UTC.
Fazer a troca de uma mensagem invulnerável para espionar não requer estritamente recursos quânticos. Tudo o que você precisa fazer é criptografar a mensagem usando uma chave aleatória de apenas uso que é pelo menos o tempo que a própria mensagem. O que a Quantum Physics oferece é uma maneira de proteger o compartilhamento de tal chave, revelando se alguém que não seja remetente e destinatário o acessou.
Think about que um remetente (Alice) deseja enviar uma mensagem a um destinatário (BOB) na presença de um espionagem (EVE). Primeiro, Alice cria uma série de bits aleatórios. De acordo com um dos protocolos de comunicação quântica mais populares, conhecidos como BB84, Alice codifica cada bit no estado de polarização de um fóton particular person. Essa codificação pode ser realizada em uma das duas orientações, ou “bases”, que também são escolhidas aleatoriamente. Alice envia esses fótons, um de cada vez para Bob, que mede seus estados de polarização. Se Bob optar por medir um determinado fóton na base em que Alice codificou sua parte, a leitura de Bob do bit corresponderá à de Alice. Se ele escolher a base alternativa, Bob medirá um estado de polarização aleatória. Fundamentalmente, até Alice e Bob compararem sua sequência de bases de medição (mas não seus resultados) em um canal público, Bob não sabe quais medidas refletem os bits codificados por Alice. Somente depois que eles fizeram essa comparação – e excluíram as medidas feitas em bases não de combate – pode Alice e Bob descartarem que a escuta ocorreu e concordou com a sequência de bits que constituem sua chave.
A eficiência e a segurança desse processo dependem da capacidade de Alice de gerar fótons únicos sob demanda. Se esse método de geração de fótons não for confiável-por exemplo, se às vezes não conseguir gerar um fóton quando estiver programado-a chave levará mais tempo para compartilhar. Se, por outro lado, o método às vezes gera vários fótons simultaneamente, Alice e Bob correm o risco de ter sua privacidade comprometida, pois Eva ocasionalmente será capaz de interceptar um desses fótons extras, o que pode revelar parte da chave. Estão disponíveis técnicas para detectar tais escutas, mas envolvem o envio de fótons adicionais em “estados de chamariz” com intensidades escolhidas aleatoriamente. A adição desses estados de chamariz, no entanto, aumenta a complexidade do processo de compartilhamento de chaves.
O método typical para gerar fótons únicos sob o protocolo BB84 é surpreendentemente de baixa tecnologia: um laser é brilhado através de um filtro atenuante para que quase todos os fótons sejam absorvidos. Se a transparência do filtro é otimizada para segurança (minimizando eventos de fóton múltiplo) ou eficiência (minimizando eventos de fóton zero), a fração desses “pulsos coerentes fracos” que contêm fótons únicos é restringida pelas propriedades estatísticas das fontes de luz coerente. A fração máxima teórica é 1/eou cerca de 37%, mas as configurações do mundo actual geralmente atingem valores inferiores a ten%.
Os pesquisadores da USTC procuraram aumentar essa proporção, substituindo o laser atenuado por uma fonte de fóton único mais confiável. Eles fabricaram um ponto quântico compreendendo arseneto de índio no arseneto de gálio e o acoplou a uma microcavidade que aumentou a emissão do ponto quântico através do efeito Purcell. Ao excitar o ponto quântico usando um pulso de laser de formato cuidadosamente, os pesquisadores alcançaram uma taxa de emissão de fóton única de 71% e uma taxa de emissão multifóton de 2%. Eles então testaram o conceito transmitindo uma chave quântica sobre o espaço livre, pulando o sinal de um par de espelhos a mais de 100 m do laboratório. Após contabilizar erros e fótons perdidos para espalhar (que consomem a maior parte da sequência -chave), eles mediram uma taxa -chave de 1,08 × 10–3 Bits por pulso – quase o dobro da taxa que eles esperariam alcançar se o mesmo vínculo usasse pulsos coerentes fracos de um laser convencional.
“Acho que o experimento é um feito”, diz o físico da Universidade de Toronto, Hoi-Kwong Lo, que não estava envolvido no estudo. O LO é um dos pesquisadores por trás do chamado protocolo de distribuição quântica de chave de chamariz, uma versão do esquema BB84 com segurança aprimorada. “É a primeira vez que uma fonte de fóton única é usada na distribuição quântica para superar a taxa de chave de protocolo do estado de engodo”, diz Lo.
Apesar de sua melhor confiabilidade, a fonte de fótons de ponto quântico fica aquém da necessidade de estados de chamariz, pois ainda produz eventos raros multifotões. “Se a fonte pudesse emitir fótons únicos com 100% de confiabilidade, os Estados do engodo não seriam necessários”, diz Jian-Wei Pan, que lidera a equipe da UTC. “Embora a fonte do ponto quântico possa emitir fótons únicos com uma melhor probabilidade do que pulsos coerentes fracos, não é perfeita, portanto, os estados de chamariz ainda são úteis.”
–Marric Stephens
Marric Stephens é um editor correspondente para Revista de Física com sede em Bristol, Reino Unido.
Referências
- Y. Zhang et al.“Distribuição de chave quântica experimental de fóton único, superando o limite basic da taxa de estado coerente basic”. Phys. Rev. Lett. 134210801 (2025).
