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Criptografia quântica supera problema do ruído

Fótons codificados são enviados a distância recorde em fibras ópticas ocupadas. 

Zeeya Merali e revista Nature
É difícil se diferenciar da multidão – principalmente se você for um único fóton em um mar de milhões em uma fibra óptica. Por isso sistemas de encriptação quântica ultra-seguros que codificam sinais em uma série de fótons individuais tinham sido incapazes de pegar carona nas linhas de telecomunicação disponíveis. Mas físicos, usando uma técnica para detectar fracos sinais de luz, transmitiram uma chave quântica por 90 km de fibra óptica ruidosa. O feito pode viabilizar a criptografia quântica. 

Não é possível medir um sistema quântico sem perturbá-lo significativamente. Isso significa que duas pessoas podem codificar uma chave de encriptação – para transferências bancárias, por exemplo – em uma série de fótons e compartilhá-la, sabendo que, um curioso, ativará os alarmes do sistema. Mas esses sistemas não foram capazes de transmitir chaves em linhas de telecomunicações, porque o tráfico de outros dados afoga o sinal codificado. Como resultado, a criptografia quântica tem tido apenas um nicho de aplicação, como conectar escritórios a locais de backup usando as caras fibras ‘negras’ que não transportam outros sinais. “Esse é o maior problema da criptografia quântica”, admite o físico Nicolas Gisin, consultor científico da empresa de criptografia quântica ID Quantique em Genebra, na Suíça.

Físicos já tentaram resolver esse problema enviando fótons por uma fibra compartilhada em um ‘canal quântico’, em uma função de onda característica. O problema é que a fibra espalha a luz do tráfego de dados normais naquela frequência, poluindo o canal quântico com fótons perdidos. Andrew Shields, físico do Laboratório de Pesquisa Toshiba Cambridge, no Reino Unido, e seus colegas desenvolveram um detector que só coleta fótons desse canal se eles o atingirem em um instante exato, calculado com base no momento em que os fótons foram enviados. A equipe publica seus resultados na Physics Review X.

Bem na hora

Projetar um detector com um foco temporal tão preciso foi um desasfio, explica Shields. Detectores padrão usam dispositivos semicondutores que criam uma avalanche de cargas elétricas quando atingidas por um único fóton. Mas geralmente leva mais de um nanossegundo (10-9 segundo) para a avalanche se tornar grande o suficiente para se diferenciar do caos elétrico interno do próprio detector – muito mais que a estreita janela de 100 picossegundos (10-10 segundo) necessária para filtrar um único fóton da multidão.

O detector ‘auto-diferenciante’ da equipe se ativa por 100 picossegundos, a cada nanossegundo. A fraca carga disparada pelo choque de um fóton nesse curto intervalo normalmente não se destacaria, mas o detector mede a diferença entre o sinal registrado durante um ciclo operacional e o sinal do ciclo precedente – quando era improvável que algum fóton apropriado fosse detectado. Usando esse dispositivo a equipe transmitiu uma chave quântica em uma fibra de 90 km, que também carregava dados ruidosos a um bilhão de bits por segundo, em ambas as direções – uma taxa típica das fibras de telecomunicações. Agora a equipe pretende testar a técnica em uma linha de telecomunicações convencional.

A equipe de Gisin desenvolveu, de maneira independente, um detector de fótons com uma janela de tempo semelhante, que foi apresentada na reunião QCrypt 2012 no Centro de Tecnologias Quânticas de Cingapura, em setembro passado. Mas Gisin calculou que essa técnica não pode ser usada para transmitir sinais quânticos além de100 km. O espalhamento se acumula com a distância então, mais cedo ou mais tarde, haveria tantos fótons perdidos impossível filtrar, mesmo com um detector precisamente cronometrado.

Mesmo assim,90 kmé um “recorde mundial, e um grande passo à frente para a aplicabilidade da criptografia quântica nas infraestruturas de telecomunicações, avalia Vicente Martín, físico da Universidade Técnica de Madrid.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 20 de novembro de 2012.  

sitesciambra26nov2012
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