Cameron Merritt
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A China possui a tecnologia quântica para criptografar perfeitamente sinais úteis em distâncias muito maiores do que qualquer um já conseguiu, abrangendo a Europa e a Ásia, de acordo com uma nova carta de pesquisa impressionante.
Pedaços de informação, ou sinais, passam pelas casas das pessoas, pelos céus e pela carne dos corpos humanos a cada segundo de cada dia. Eles são sinais de televisão e rádio, bem como chamadas telefônicas privadas e arquivos de dados.
Alguns desses sinais são públicos, mas a maioria é privada - criptografados com longas sequências de números conhecidos (presumivelmente) apenas pelos remetentes e receptores. Essas chaves são poderosas o suficiente para manter os segredos da sociedade moderna: mensagens de texto sedutoras, números de contas bancárias e senhas para bancos de dados secretos. Mas eles são frágeis. Uma pessoa suficientemente determinada, empunhando um computador suficientemente poderoso, poderia quebrá-los.
"Historicamente, todos os avanços na criptografia foram derrotados pelos avanços na tecnologia de cracking", escreveu Jian-Wei Pan, pesquisador da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e autor desta carta de pesquisa. "A distribuição de chaves quânticas termina esta batalha."
As chaves quânticas são longas cadeias de números - chaves para abrir arquivos criptografados exatamente como as usadas em computadores modernos - mas são codificadas nos estados físicos das partículas quânticas. Isso significa que eles são protegidos não apenas pelos limites dos computadores, mas pelas leis da física.
Chaves quânticas não podem ser copiadas. Eles podem criptografar transmissões entre computadores clássicos. E ninguém pode roubá-los - uma lei da mecânica quântica afirma que uma vez que uma partícula subatômica é observada, puf, ela é alterada - sem alertar o emissor e o receptor sobre o truque sujo. [O que é isso? Respostas às suas perguntas de física]
E agora, de acordo com uma nova carta com publicação prevista para hoje (19 de janeiro) na revista Physical Review Letters, as chaves quânticas podem viajar via satélite, criptografando mensagens enviadas entre cidades a milhares de quilômetros de distância.
Os pesquisadores criptografaram imagens quânticas codificando-as como sequências de números com base nos estados quânticos dos fótons e as enviaram a distâncias de até 4.722 milhas (7.600 quilômetros) entre Pequim e Viena - quebrando o recorde anterior de 251 milhas (404 km) , também definido na China. Então, para completar, no dia 29 de setembro de 2017, eles fizeram uma videoconferência de 75 minutos entre pesquisadores das duas cidades, também criptografada via chave quântica. (Esta videoconferência foi anunciada anteriormente, mas todos os detalhes do experimento foram relatados nesta nova carta.)
O satélite
Esta distribuição de chave quântica de longa distância é mais uma conquista do satélite chinês Micius, que foi responsável por quebrar uma série de registros de redes quânticas em 2017. Micius é um poderoso relé e detector de fótons. Lançado na órbita baixa da Terra em 2016, ele usa seus lasers e detectores para enviar e receber pacotes de informações quânticas - basicamente, informações sobre o estado quântico de um fóton - através de vastas extensões de espaço e atmosfera.
“Micius é a estrela mais brilhante do céu quando está passando pela estação”, Pan escreveu. "A estrela é [tão] verde quanto o laser beacon [que Micius usa para apontar fótons para o solo]. Se houver poeira no ar, você verá [também] uma linha de luz vermelha apontando para o satélite. Sem som vem do espaço. Talvez haja alguns levantados pelo movimento da estação terrestre. "
Quase sempre que Micius faz alguma coisa, ele explode recordes anteriores. Isso porque as redes quânticas anteriores dependiam da passagem de fótons pelo solo, usando o ar entre prédios ou cabos de fibra óptica. E há limites para a linha de visão no solo, ou a distância que um cabo de fibra ótica transferirá um fóton sem perdê-lo.
Em junho de 2017, os pesquisadores do Micius anunciaram que haviam enviado dois fótons "emaranhados" para estações terrestres distantes 745 milhas (1.200 km). (Quando um par de fótons fica emaranhado, eles afetam um ao outro, mesmo quando separados por grandes distâncias.) Um mês depois, em julho, eles anunciaram que haviam teletransportado um pacote de informações quânticas 870 milhas (1.400 km) do Tibete para a órbita, o que significa que o estado quântico de uma partícula foi irradiado diretamente de uma partícula no solo para seu gêmeo no espaço.
Essas duas conquistas foram passos importantes no caminho para redes criptografadas por chave quântica do mundo real.
A nova carta anuncia que a teoria foi posta em prática.
Micius primeiro criptografou duas fotos, uma pequena imagem do próprio satélite Micius, depois uma foto do primeiro físico quântico Erwin Schrödinger. Em seguida, ele criptografou aquela longa chamada de vídeo. Nenhum ato semelhante de distribuição de chave quântica jamais foi alcançado nesse tipo de distância.
Já, Pan disse, Micius está pronto para usar para criptografar informações mais importantes.
Como funciona uma chave quântica?
A distribuição de chaves quânticas é essencialmente uma aplicação criativa do chamado princípio da incerteza de Heisenberg, um dos princípios fundamentais da mecânica quântica. Como relatado anteriormente, o princípio da incerteza afirma que é impossível saber completamente o estado quântico de uma partícula - e, crucialmente, que ao observar parte desse estado, um detector elimina para sempre as outras informações relevantes que a partícula contém.
Esse princípio acaba sendo muito útil para codificar informações. Como o criptógrafo belga Gilles Van Assche escreveu em seu livro de 2006 "Quantum Cryptography and Secret-Key Destillation", um emissor e um receptor podem usar os estados quânticos das partículas para gerar sequências de números. Um computador pode então usar essas strings para criptografar algumas informações, como um vídeo ou um texto, que então envia por um retransmissor clássico como a conexão de internet que você está usando para ler este artigo.
Mas ele não envia a chave de criptografia por esse relé. Em vez disso, ele envia essas partículas por uma rede quântica separada, escreveu Van Assche.
No caso de Micius, isso significa enviar fótons, um de cada vez, pela atmosfera. O receptor pode então ler os estados quânticos desses fótons para determinar a chave quântica e usar essa chave para descriptografar a mensagem clássica. [Álbum: as equações mais bonitas do mundo]
Se alguém tentasse interceptar essa mensagem, porém, deixaria sinais reveladores - pacotes ausentes da chave que nunca chegaram ao remetente.
Obviamente, nenhuma rede é perfeita, especialmente nenhuma baseada em informações de captura de fotos individuais em quilômetros de espaço. Como escreveram os pesquisadores do Micius, as redes normalmente perdem 1 ou 2 por cento de sua chave em um dia claro. Mas isso está bem dentro do que Micius e a estação base podem trabalhar juntos para editar fora da chave, usando uma matemática sofisticada. Mesmo se um invasor interceptasse e destruísse um pedaço muito maior da transmissão, o que quer que eles não pegassem ainda estaria limpo - mais curto, mas perfeitamente seguro para criptografar as transmissões em um piscar de olhos. [Como funciona o entrelaçamento quântico (infográfico)]
A conexão entre Micius e a Terra ainda não é perfeitamente segura. Como escreveu a equipe de autores chineses e austríacos, a falha no projeto da rede é o próprio satélite. No momento, as estações base em cada cidade conectada recebem diferentes chaves quânticas do satélite, que são multiplicadas juntas e depois desemaranhadas. Esse sistema funciona bem, desde que os comunicadores confiem que nenhum esquadrão secreto de astronautas nefastos invadiu o próprio Micius para ler a chave quântica na fonte. O próximo passo em direção à segurança verdadeiramente perfeita, eles escreveram, é distribuir chaves quânticas de satélites via enredado fótons - chaves que os satélites iriam fabricar e distribuir, mas nunca seriam capazes de ler.
Com o tempo, escreveram os pesquisadores, eles planejam lançar mais satélites quânticos em órbitas mais altas - satélites que se comunicarão uns com os outros e com pesquisadores da Terra em teias cada vez mais complexas.
Essa rede quântica de expansão lenta e cada vez mais prática será construída primeiro para a China e a Europa, escreveram eles, "e depois em escala global".