Física prática: como a incerteza quântica tornará nossas comunicações seguras
Ainda não estamos no ponto em que as comunicações quânticas podem ser implantadas para proteger a Internet, mas podemos não estar longe.
- O emaranhamento quântico não é apenas um conceito teórico; ele pode ter aplicativos poderosos do mundo real.
- Ao utilizar a incerteza do mundo quântico, podemos criar uma internet quântica mais segura e poderosa.
- Testes mostram que podemos usar o emaranhamento quântico e o teletransporte para transferir dados bancários com segurança ou proteger chamadas de vídeo contra hackers.
Este é o segundo de uma série de quatro artigos sobre como o emaranhamento quântico está mudando a tecnologia e como entendemos o Universo ao nosso redor. No artigo anterior , discutimos o que é o emaranhamento quântico e como os físicos no início de 1900 desenvolveram a ideia de que a natureza é incerta. Neste artigo, discutimos como o emaranhamento pode transformar a forma como podemos nos comunicar.
O emaranhamento quântico nos ensinou que a natureza é estranha. Nada é certo na escala quântica. Podemos não conhecer as propriedades das partículas, mas isso não é porque nossos instrumentos não são bons o suficiente. É porque as partículas nem sequer têm propriedades definidas até que sejam observadas. A natureza é incerta, e essa incerteza está embutida no próprio tecido do Universo.
Você pode estar pensando: tudo isso é muito interessante, mas o que isso tem a ver comigo?
O fato é – muito. O emaranhamento quântico não é mera teoria. Tem implicações no mundo real em muitas áreas. Hoje, vamos discutir uma aplicação muito prática: proteger nossas comunicações. Ao utilizar a incerteza inerente à escala quântica, nossas comunicações podem se tornar mais rápidas e seguras, transformando a internet e a forma como fazemos negócios.
Necessidade quântica
Muitas das formas de comunicação digital que usamos seriam consideradas comunicações clássicas – tudo da internet para chamadas em telefones celulares . As comunicações clássicas consistem em sequências de 1s e 0s, cada uma contendo um “bit” de informação.
As comunicações quânticas são diferentes. Aproveitando a incerteza em escalas quânticas, podemos deixar nossa informação ser 1 e 0 simultaneamente. Esse bit de informação quântica, ou qubit, pode ser uma superposição de estados — um 1, 0 ou uma combinação — até ser observado, ponto em que sua função de onda entra em colapso. Por causa da superposição, os qubits podem realizar mais de um cálculo por vez e reter mais informações do que seus equivalentes de bits clássicos.
Privacidade na comunicação não é apenas bom ter; é necessário. De acordo com o Identity Theft Resource Center, houve 1.862 violações de dados em 2021 , comprometendo quase 300 milhões de pessoas. Existem muitas fontes dessas violações de dados. Muitos deles acontecem quando a informação é transferida. Qualquer comunicação pela Internet está vulnerável a ser interceptada e visualizada por alguém que não seja o destinatário pretendido.
Para proteger nossa privacidade, os dados que são transferidos pelos canais de comunicação clássicos podem ser criptografados. Mas a força dessa criptografia é equilibrada pela engenhosidade do hacker. A comunicação clássica baseia-se em combinações de 1s e 0s. Os hackers podem ver esses 1s e 0s, copiá-los e enviá-los, sem que ninguém mais possa saber que a mensagem foi interceptada. O nível de segurança usando a comunicação quântica, por outro lado, está enraizado nas leis da física e pode ser imune a hackers usando um processo chamado QKD, ou distribuição de chaves quânticas.
Vamos ver um exemplo de como isso pode funcionar. Digamos que temos duas pessoas, Alice e Bob. Alice quer enviar algumas informações para Bob. Ela emprega dois métodos para transferir dados. No primeiro, ela envia dados clássicos criptografados por um canal de comunicação normal. Para descriptografar os dados, Bob receberia uma segunda informação de Alice – desta vez, uma mensagem quântica consistindo de qubits transferidos por um canal quântico. Pode incluir fótons com polarização aleatória. Esta é a chave quântica de Bob, e ele pode usá-la para decodificar a mensagem. A ideia é que a mensagem seja compreendida apenas quando os dados clássicos e quânticos forem combinados.
O uso de uma chave quântica tem alguns benefícios em relação às comunicações clássicas. A natureza incerta da função de onda mantém as informações quânticas protegidas de espionagem, já que esse tipo de interferência faria com que a função de onda dos qubits entrasse em colapso. Também não é possível para um hacker interceptar, descriptografar e retransmitir o sinal. Isso ocorre porque um estado quântico desconhecido não pode ser copiado. (Isto é referido como o teorema de não clonagem .) Portanto, se o sinal deles for interceptado, Alice e Bob saberão.
Informações de teletransporte
Claro que as coisas ficam mais complicadas na realidade. Uma fração da mensagem quântica será destruída em trânsito. Por exemplo, um fóton que faz parte da mensagem pode interagir com a borda do cabo de fibra óptica, causando o colapso de sua função de onda. Esse processo é chamado de decoerência.
Quando Bob receber sua chave, ele a comparará com a de Alice, amostrando qubits aleatórios para ver se é semelhante o suficiente. Se a taxa de erro for baixa, é provável que qualquer erro seja resultado de decoerência, então Bob irá em frente e decodificará sua mensagem. Se a taxa de erro for alta, alguém pode ter interceptado a chave. Neste caso, Alice irá gerar uma nova chave.
Embora isso seja muito mais seguro do que as comunicações clássicas, não é perfeito. Quanto mais longe o canal quântico estiver, maior a chance de decoerência. Portanto, a mensagem pode viajar apenas algumas dezenas de quilômetros (em um cabo de fibra óptica) antes de se tornar inútil. Repetidores quânticos podem ser usados para ajudar. Eles podem decodificar a mensagem e depois recodificá-la em um novo estado quântico, permitindo que ela viaje mais longe.
No entanto, cada decodificação dá aos hackers a oportunidade de capturar a mensagem. A segurança do QKD também pressupõe que tudo está funcionando perfeitamente – e nada na vida real é perfeito.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada todas as quintas-feirasPara aumentar a segurança, podemos recorrer ao emaranhamento quântico e usar um método bacana chamado teletransporte quântico.
Nesse método, Alice e Bob têm um qubit emaranhado. Alice usa um terceiro qubit, que ela permite interagir com seu qubit. Como resultado, o qubit emaranhado de Bob imediatamente assume o estado do qubit de Alice. Alice então envia os resultados da interação para Bob por meio de um canal clássico. Bob pode usar os resultados, combinados com seu qubit, para recuperar a mensagem. Esse método é mais seguro porque a mensagem real não está viajando entre Alice e Bob — não há nada para interceptar.
A corrida das comunicações quânticas
Redes seguras usando QKD estão ficando online e crescendo rapidamente. Um time da Holanda mostraram pela primeira vez que podiam transferir dados a 10 pés confiável usando o teletransporte quântico em 2014. Três anos depois, um importante marco de comunicação quântica foi alcançado quando uma equipe de cientistas chineses usou o satélite Micius para ilustrar o emaranhamento quântico nas distâncias mais longas já alcançadas, entre estações com mais de 1200 km de distância.
Os tamanhos das redes QKD também cresceram rapidamente. o primeiro foi criado em Boston pela DARPA em 2003 . Atualmente, a maior rede QKD está na China, abrangendo 4.600 km e consistindo de cabos ópticos e dois links terra-satélite . No início deste ano, a China lançou Mulheres 1 – um pequeno satélite quântico pesando menos de 100 kg, projetado para realizar experimentos de distribuição de chaves quânticas em órbita terrestre baixa. Eventualmente, a comunicação quântica pode provar ser eficaz em grandes distâncias no espaço .
Embora a tecnologia ainda esteja em uma fase inicial, as redes QKD permitiram tudo, desde transferências seguras de dados bancários até o a primeira videochamada com criptografia quântica do mundo entre a China e Viena, Áustria. Com o passar do tempo, as comunicações quânticas podem oferecer enormes benefícios para setores tão amplos quanto bancário, segurança e militar. Não estamos no ponto em que as comunicações quânticas podem ser implantadas para proteger nossas comunicações na Internet, mas podemos não estar longe.
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