Chip entrelaça quatro fótons para garantir criptografia quântica inviolável

Com informações da Agência Fapesp - 11/07/2024

Qualquer tentativa de espionagem destrói o entrelaçamento quântico entre os quatro fótons, denunciando o ataque.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]

Criptografia quântica

Durante estágio no Instituto Politécnico de Milão, na Itália, o pesquisador brasileiro Paulo Henrique Ferreira, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), ajudou a desenvolver um novo chip fotônico que se mostrou perfeito para lidar com os desafios da criptografia quântica.

Ao contrário dos sistemas clássicos de criptografia, que dependem de algoritmos matemáticos, os sistemas quânticos oferecem segurança baseada em princípios físicos. A detecção de espionagem ou interferência é garantida porque a simples tentativa de leitura altera os estados quânticos envolvidos.

O chip permite gerar e manipular estados entrelaçados conhecidos como GHZ (Greenberg-Horne-Zeilinger), envolvendo quatro fótons.

"Este trabalho, que combina a tecnologia de pontos quânticos com circuitos fotônicos de vidro, representa um marco no aperfeiçoamento e integração de dispositivos, abrindo novas possibilidades para a comunicação quântica segura e eficiente," afirmou Paulo.

Um estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) é um certo tipo de estado entrelaçado que envolve pelo menos três subsistemas (estados de partículas ou qubits). Neste caso, os circuitos foram escritos em um chip de vidro, por meio de laser de femtossegundos, criando guias de onda tridimensionais que permitem a manipulação precisa dos fótons.

"A produção usando matriz vítrea foi escolhida por ser de fácil prototipagem. Além disso, ela permite, com um único estágio de fabricação, produzir guias tridimensionais, ao contrário de processos tradicionais de litografia ou por feixe de elétrons. A reconfigurabilidade dos circuitos, obtida por meio de deslocadores térmicos, permite ajustes finos nas fases ópticas dos fótons, essenciais para a formação da superposição desejada," detalhou Ferreira.

A pesquisa demonstrou a viabilidade de gerar estados entrelaçados GHZ de alta-fidelidade em um chip fotônico, abrindo caminho para a produção de dispositivos quânticos em escala.

Leiaute conceitual do chip. Para cada qubit i, os guias de ondas superiores e inferiores codificam a base computacional {|0>_i' |1>_i}.
[Imagem: Mathias Pont et al. - 10.1038/s41534-024-00830-z]

Como funciona?

Para explicar a função do chip fotônico em criptografia, o pesquisador recorre a uma analogia.

"Imagine que você tenha quatro moedas. Em estado normal, cada moeda pode estar independentemente na posição de cara ou de coroa quando uma pessoa as joga aleatoriamente. No estado entrelaçado GHZ, porém, os quatro fótons ficam conectados de maneira especial: Todas as moedas estarão, quando observadas, em cara ou em coroa, nunca em uma combinação mista. Esse estado pode ser descrito matematicamente como uma superposição quântica na qual cada fóton está emaranhado com os outros três, sem análogo clássico. A ligação é tão forte que, ao verificar um fóton, você sabe instantaneamente o estado dos outros três, não importando a distância entre eles. Na analogia da moeda, uma vez que você descobre que uma é cara [e não coroa], todas as outras serão cara," explicou Paulo.

O fenômeno pode ser utilizado para implementar sistemas de compartilhamento secreto quântico, nos quais um emissor compartilha uma chave com vários participantes de forma segura. Qualquer tentativa de acesso não autorizado altera as correlações quânticas entre os quatro fótons, permitindo a detecção imediata.

"Por exemplo, se um intruso tentar medir o estado de uma das partículas para obter informações sobre a chave, essa medição inevitavelmente fará colapsar o estado quântico daquela partícula, alterando a correlação quântica original entre todas as partículas envolvidas. Quando os participantes legítimos do protocolo compararem uma parte de seus dados, conseguirão detectar discrepâncias causadas por essa interferência," detalhou Paulo.

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