A história da criptografia quântica não começou com as tecnologias de comunicação, mas com uma tentativa de resolver um problema completamente diferente - criar dinheiro que não pode ser falsificado.
Em 1983, Stephen Wiesner, da Columbia University,
propôs a criação de notas quânticas feitas pelo estado que não podem ser copiadas, mesmo que alguém queira fazer isso com o equipamento de impressão e o papel usado para produzir o original. A probabilidade de fazer uma cópia exata de um original protegido pela tecnologia quântica tende a zero.
Como tudo começou?
A essência da tecnologia é que em cada nota há armadilhas com fótons, cada um dos quais polarizado de uma certa maneira de acordo com duas bases diferentes. Uma base fornecida para a polarização "em forma de cruz": ou seja, o fóton pode ser polarizado em um ângulo de 0 ou 90 graus a partir de uma certa vertical, e a segunda - diagonal, ou seja, com ângulos de 45 e 135 graus.
Para copiar uma nota de banco, o falsificador deve medir a polarização dos fótons, mas ele não sabe em que base cada um deles é polarizado (o Banco Central mantém essas informações, bem como os parâmetros de polarização, secretamente, e somente ele sabe quais polarizações correspondem ao número da nota). Um criminoso pode escolher bases aleatoriamente, e então ele tem algumas chances de sucesso, embora muito pequenas. Mas eles se tornam insignificantes se você criar armadilhas fotônicas. Ou seja, para aumentar o número de fótons em cada nota de banco (a probabilidade de adivinhação diminui como uma função de potência inversa do número de fótons). Se cada nota de banco estiver equipada com uma dúzia de armadilhas, a probabilidade de uma falsificação bem-sucedida cai para quase zero.
Foi uma ótima idéia, mas, infelizmente, não é tecnicamente viável: armadilhas em massa convenientes e acessíveis para fótons, adequadas para colocação em dinheiro, ainda não foram criadas.
O que é comunicação quântica e quando o sistema de trabalho apareceu?
Wiesner também sugeriu que um mecanismo semelhante pudesse ser usado para criar canais de comunicação confidenciais. Um ano após a publicação de seu artigo, os cientistas Gilles Brassard e Charles Bennet desenvolveram o primeiro protocolo de comunicação quântica, que receberam o nome das primeiras letras de seus nomes e do ano em que a tecnologia foi criada - BB84. Este protocolo é amplamente utilizado em redes de comunicação quântica modernas.
Bennett e Brassard propuseram codificar dados nos estados quânticos de fótons únicos, por exemplo, em sua polarização. Como no caso de outros objetos quânticos, o fato de medir em si afeta necessariamente o estado do objeto; portanto, se alguém tentar "espionar" a transferência de fótons - isto é, medir os estados dos fótons que trocamos, perceberemos isso porque eles mudarão estados de fótons. Portanto, em teoria, é impossível conectar-se ao canal de transmissão de dados quânticos despercebido em princípio - as leis fundamentais da mecânica quântica não permitem (na prática, essa tecnologia também possui algumas vulnerabilidades, mas mais sobre isso abaixo).
O protocolo BB84 funciona da seguinte maneira. Um dos interlocutores (tradicionalmente chamado de Alice) envia os outros fótons (Bob) polarizados em uma das duas bases não ortogonais entre si: retangular ou diagonal. Bob os recebe e mede a polarização, escolhendo a base para a medição aleatoriamente e escreve os resultados e as bases da medição. Em seguida, ele e Alice trocam informações sobre as bases usadas (mas não sobre os resultados da medição) em um canal aberto, e os dados obtidos com bases incompatíveis são redefinidos. Apenas os valores medidos nas bases correspondentes permanecem (na tecnologia de distribuição quântica de chaves, isso é chamado de “seleção de chaves”).
Wolfgang Tittel, Grégoire Ribordy e Nicolas Gisin, criptografia quântica, mundo da física, volume 11, número 3 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058—7058/11/3/30Um possível "espião" que escuta a transmissão de dados nessa linha de comunicação (geralmente chamada Eve) pode interceptar um único fóton, medir sua polarização e tentar encaminhar uma cópia do fóton para Bob.
Mas, de acordo com o teorema da impossibilidade de clonar um estado quântico arbitrário, isso levará a um aumento no número de erros na chave quântica distribuída. Como resultado, Alice e Bob entenderão que um estranho está ouvindo seu canal. Para determinar o nível de erros na chave após o procedimento de distribuição quântica, Alice e Bob comparam uma pequena parte da chave no canal aberto. Acredita-se que, se o nível de erro da chave for inferior a 11%, a segurança da linha de comunicação poderá ser garantida.
Bennett e Brassard conduziram o primeiro experimento de transmissão de informações em um canal quântico no final de outubro de 1989. Eles não tiveram sorte - sua idéia não foi levada a sério, então os cientistas decidiram criar um protótipo da instalação experimental por conta própria e às suas próprias custas. Implemente os amigos da instalação de ajuda. A primeira instalação para comunicação quântica absolutamente segura transmitiu dados a uma distância de 32,5 centímetros. Brassard
lembra que seu sistema fornecia proteção de dados somente a uma pessoa completamente surda: a fonte de alimentação era muito barulhenta e o ruído era diferente dependendo da polarização dos fótons que a instalação estava fornecendo no momento.
Apesar de todas as deficiências, a instalação estava funcionando. Na verdade, a partir deste momento, começou a história das comunicações e redes quânticas, que hoje se estendem por milhares de quilômetros e vão para o espaço.
Por que tudo isso é necessário?
Sem criptografia, praticamente nenhum dado é transmitido hoje. Os métodos de criptografia mais populares usados agora são baseados em uma suposição: a tarefa de descriptografar mensagens é tão complicada que o poder de computação do invasor não é suficiente para resolvê-lo. Em outras palavras, o custo (em dinheiro e no tempo) da descriptografia será desproporcionalmente mais alto do que o valor das informações assim obtidas. Isso se aplica à criptografia simétrica (AES, DES,
Russian GOST 28147-89 ) e assimétrica (por exemplo, RSA).
A comunicação quântica é tão segura?
No momento, é completamente seguro, mas a situação pode mudar em breve devido ao advento de um computador quântico.
O fato é que, nos sistemas de criptografia de chave pública, são utilizadas as chamadas funções unidirecionais, nas quais, por um argumento conhecido, encontrar o valor da função é bastante simples, mas a operação reversa é extremamente complicada. Por exemplo, multiplicar números muito grandes é uma tarefa simples para um computador, mas o fator oposto (fatoração) exige muitas vezes mais tempo computacional do que para solucionar o problema original, e a complexidade dessa tarefa cresce rapidamente com o aumento do número.
O uso da assimetria de multiplicação e fatoração baseia-se, por exemplo, no amplo algoritmo de criptografia RSA e em muitos outros sistemas de criptografia, chamados de "assimétricos". Sua principal vantagem é que, para seu uso, não é necessário transferir chaves de criptografia por meio de um canal seguro especial (por exemplo, uma unidade flash com um correio confiável), como é o caso de algoritmos simétricos, nos quais a mesma chave secreta é usada para criptografia e descriptografia.
Nas tecnologias assimétricas, duas chaves são usadas - pública e privada, a primeira pode ser transmitida através de redes e só pode ser usada para criptografar uma mensagem, e a descriptografia exige uma chave privada que é armazenada pelo usuário. As chaves pública e privada são interconectadas por uma função assimétrica, e acredita-se que é praticamente impossível restaurar uma chave privada de uma chave pública usando tecnologias modernas (isso pode levar bilhões de anos).
Mas agora, no futuro, a situação pode mudar se computadores quânticos aparecerem. Em meados dos anos 90, o matemático Peter Shore desenvolveu um algoritmo quântico que recebeu esse nome. O algoritmo permite a fatoração quase tão rápido quanto a multiplicação. Já existem dispositivos quânticos nos quais o algoritmo Shore pode ser executado, mas até agora eles fatoraram com sucesso apenas os números 15 e 21. Com o advento de máquinas quânticas mais avançadas, todos os sistemas criptográficos baseados nessa assimetria se tornarão inúteis.
Alguns cientistas chamam o computador quântico de “bomba atômica da informação”, que precisará remover a maioria dos serviços bancários e de informação com os quais estamos acostumados hoje: cerca de 50% do tráfego da Internet desses serviços é codificado com algoritmos de chave pública. Além disso, o fato de um computador quântico não ter sido criado agora não significa que os dados que você está trocando agora são seguros - talvez sejam descriptografados no futuro. Por exemplo, a agência de inteligência norte-americana NSA em seu data center em Utah armazena pelo menos alguns
exabytes de dados não criptografados . Assim que novos métodos de descriptografia aparecerem, eles poderão ser descriptografados.
Mas a física quântica também nos oferece proteção contra as capacidades computacionais dos computadores clássicos quânticos e futuros e dos algoritmos computacionais - a distribuição quântica de chaves.
Isso é apenas uma teoria ou existem casos reais?
Em suma, há muito tempo não é apenas uma teoria. O mercado de tecnologia quântica ainda é pequeno, a primeira empresa que estabeleceu o objetivo de ganhar dinheiro com criptografia quântica - ID Quantique - apareceu dez anos após as primeiras experiências do grupo Bennett em 2001. Foi fundada por imigrantes da Universidade de Genebra, entre os quais destacou o físico Nicolas Gisin. Mas o primeiro a colocar a tecnologia em posição comercial foi a American Magiq Technologies Inc. Em novembro de 2003, ela
anunciou que estava pronta para oferecer a seus clientes em potencial um sistema de distribuição de chaves quânticas que pode operar a uma distância de 120 quilômetros.
Alguns meses depois, a ID Quantique lançou seu sistema no mercado e logo se tornou um dos líderes de mercado. Usando tecnologias quânticas, ela
organizou a proteção de dados durante as eleições regionais em Genebra em 2007 e, em fevereiro de 2018,
estabeleceu um recorde para a faixa de transmissão de dados quânticos via cabo de fibra óptica - 421 quilômetros.
O alcance e a taxa de dados ainda permanecem o principal problema da comunicação quântica. O fato é que os dados transmitidos são codificados em estados de fóton único; nesse estágio, as linhas de comunicação quântica são muito vulneráveis a interferências e ruídos, portanto, na prática, a transmissão de uma chave quântica é realizada em redes de backbone a distâncias de até 100 km. Em distâncias maiores, a velocidade de geração de chaves se torna muito baixa.
Phys. Rev. Lett. 121, 190502 (2018) Distribuição segura de chaves quânticas em 421 km de fibra ópticaNa maioria dos casos, a comunicação quântica é usada dentro do mesmo assentamento. Para distâncias maiores, redes quânticas são construídas a partir de muitos fragmentos separados conectados por nós especialmente protegidos.
Hoje, três empresas dominam o mercado global de sistemas de comunicação quântica comercial: o chinês Qasky e QuantumCTek, bem como o Swiss ID Quantique. Eles fornecem quase todo o espectro de soluções e componentes: de fontes e detectores de fótons únicos, geradores de números aleatórios quânticos a dispositivos integrados:
- A ID Quantique oferece dois tipos de sistemas: com base em um circuito bidirecional (Plug and Play) e passagem única coerente (unidirecional coerente - VACA). Esses dispositivos foram projetados para trabalhar em redes urbanas de fibra óptica e permitir a transmissão de chaves quânticas a distâncias de até 70 quilômetros.
- A Qasky produz sistemas para órgãos governamentais, não existem produtos no mercado.
- O QuantumCTek em 2018 mostrou dispositivos para redes urbanas: sistemas de geração de chaves, comutadores compatíveis, dispositivos para telefonia segura.
As tecnologias de proteção de comunicações quânticas são ativamente usadas por grandes bancos e organizações financeiras, agências governamentais e centros de dados. O mercado global de criptografia quântica em 2018 foi
estimado em US $ 343 milhões e, em 2021, deve dobrar de tamanho
para US $ 506 milhões . Na Rússia, as primeiras tentativas de transferir chaves quânticas para o laboratório ocorreram no início dos anos 2000 no Institute of Semiconductor Physics SB RAS. Em 2014, um protótipo de um sistema de comunicação quântica em funcionamento foi apresentado na Universidade ITMO de São Petersburgo - era uma questão de transferir dados entre dois edifícios de uma universidade a uma distância de 1 quilômetro, ou seja, sobre um experimento de laboratório.
Em 2016, o Russian Quantum Center lançou a primeira linha de comunicação quântica urbana, com base no uso de fibra óptica "comum". Ela conectou os dois escritórios do Gazprombank, localizados a uma distância de cerca de 30 quilômetros um do outro.
Atualmente, redes quânticas experimentais e comerciais foram criadas e estão sendo criadas em Moscou, Kazan e São Petersburgo. Os projetos são apoiados principalmente pelos grandes bancos russos e pelo Rostelecom.
Existem projetos maiores?
Várias grandes redes quânticas estão sendo construídas no mundo. Nos EUA (Quantum Key Distribution, Quantum Xchange), na Europa (SECOQC e Swiss Quantum), no Japão, a Toshiba está envolvida nesse projeto, mas a China está desenvolvendo o maior projeto.
Hoje, a rede quântica chinesa tem cerca de 2 mil quilômetros de extensão e conecta a capital e vários grandes centros financeiros e industriais.
Além disso, a China é um dos pioneiros no campo das comunicações quânticas espaciais. Os canais de satélite são uma maneira de resolver o problema de distribuir uma chave quântica em distâncias longas e intercontinentais.
Em 2016, a China
lançou o pequeno satélite Mo-Tzu (também conhecido como QUESS - Experimentos quânticos em escala espacial, “Experimentos quânticos em escala espacial”), desenvolvido pela equipe de Jian-Wei Pan da Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai. Em 2017, surgiram dados sobre os resultados do experimento com o satélite: o dispositivo
garantiu a distribuição de chaves quânticas a uma distância de mais de 7600 quilômetros entre os observatórios de Pequim e Viena. Os cientistas chineses planejam desenvolver linhas globais de comunicação quântica, onde o satélite atuará como um nó confiável.
E as tecnologias quânticas na Rússia?
Além do Russian Quantum Center (RCC) e sua empresa subsidiária QRate, grupos de funcionários da MSU trabalham em conjunto com o InfoTeKS OJSC e St. Petersburg ITMO (empresa Quanttelecom) na Federação Russa para implementar um projeto de comunicação quântica.
A Universidade Estadual de Moscou e a Infotex apresentaram um modelo de pré-produção de um telefone quântico - um sistema de comunicação de voz em que a criptografia de dados de voz é fornecida por meio de uma distribuição de chave quântica. Segundo os desenvolvedores, o investimento total no projeto será de cerca de
700 milhões de rublos, e o custo de um conjunto básico de equipamentos - um servidor e dois telefones - será de cerca de 30 milhões de rublos .
O RCC foi o primeiro do mundo a desenvolver uma blockchain quântica protegida - uma ferramenta para criar um banco de dados distribuído no qual é quase impossível falsificar registros. Os métodos de criptografia quântica ajudaram a proteger o blockchain das ameaças colocadas pelo advento de um computador quântico. O circuito foi
testado em redes de fibra urbana.
Além disso, o RCC e o QRate construíram uma rede quântica e demonstraram uma sessão em vários locais de videoconferência com segurança quântica no Fórum Econômico Internacional de São Petersburgo. Os chefes do Sberbank, Gazprombank e a empresa de auditoria PwC Russia participaram da sessão de comunicação quântica.
O QRate também desenvolveu uma instalação serial para criptografia quântica, que pode ser integrada à infra-estrutura de telecomunicações padrão existente e adaptada para trabalhar com protocolos criptográficos. Os dispositivos usam detectores e fontes de fótons únicos criados no RCC.
No estágio de projeto e criação, existe uma rede quântica em Skolkovo, estão em andamento negociações para o desenvolvimento de uma rede quântica existente com o Sberbank e o Gazprombank.
No futuro, o QRate também planeja seu próprio projeto espacial: instalar um transmissor de sinal quântico em um pequeno satélite do padrão Cubsat e distribuir chaves quânticas entre duas estações terrestres.
Existem conferências sobre tecnologia quântica?
Sim, existem, inclusive na Rússia.
ICQTA cada dois anos, a Conferência Internacional sobre Tecnologias Quânticas, ICQT, acontece em Moscou. Participam do evento cientistas, altos gerentes de empresas de tecnologia e especialistas em segurança da informação. Aqui estão alguns grandes nomes do ICQT 2019: Eugene Polzik, Rainer Blatt, Peter Zoller, Tommaso Kalarko, Cartum Neven, Mikhail Lukin, Christopher Monroe. Desta vez, a conferência
ocorrerá de 15 a 19 de julho .
O dia 18 de julho será um dia aberto gratuito. Você pode ouvir alto-falantes do Google, Airbus Blue Sky, D-Wave e Quantum Flagship. Qualquer um pode vir, mas você precisa se registrar no Taipad.
QEC2019 Correção de erro quânticoDe 29 de julho a 2 de agosto, será realizada em Londres uma conferência dedicada à correção de erros quânticos. É chamado de "correção de erro quântico". As informações quânticas têm um grande número de propriedades incomuns, uma delas é apenas a correção de erros quânticos.
A conferência é organizada por um grupo de cientistas do Instituto de Física. A conferência não é assistida por toda a associação, mas por um grupo que lida com questões de tecnologia quântica - Quantum Optics, Quantum Information e Quantum Control group.
Conferência de pesquisadores em estágio inicial do QCALL 2019Uma conferência sobre tecnologias quânticas na Itália também será realizada de 16 a 19 de setembro deste ano. Os jovens cientistas especializados em tecnologia quântica são convidados a participar. O centro da conferência são 15 pesquisadores da Europa. Os organizadores esperam combinar os esforços de um grande número de cientistas de todo o mundo na solução das questões mais importantes da ciência quântica moderna.