Pesquisadores chineses desenvolveram um sistema de comunicação que não pode ser espionado ou invadido. Usando o satélite quântico Micius, eles estabeleceram a conexão mais segura do mundo e demonstraram que a tecnologia é viável a longas distâncias.

O satélite enviou simultaneamente uma chave criptográfica para duas estações na China, separadas por 1.120 quilômetros. Este é o novo recorde de comunicação quântica, que já havia sido testado, mas nunca havia sido alcançada uma distância ou eficiência tão grande.

O estudo foi publicado em revista Natureza por uma equipe de 24 cientistas liderados por Jian-Wei Pão, físico da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Hefei. O país é agora o líder na corrida para criar uma rede quântica global de Internet totalmente segura.

“O experimento deixou claro que a tecnologia funciona e será implementada em um futuro próximo”, diz Marcelo Martinelli, professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP).

O que é comunicação quântica?

A física clássica, a que aprendemos na escola, explica bem o mundo quando falamos de corpos relativamente grandes. No entanto, não pode governar o comportamento de partículas microscópicas. A física quântica surgiu para revelar a interação de moléculas, átomos e partículas subatômicas, como elétrons e fótons.

Uma das principais propriedades quânticas é chamada emaranhamento ou emaranhamento. Duas partículas podem se entrelaçar de tal maneira que uma compartilha o destino da outra, mesmo que separadas por grandes distâncias.

Você pode distinguir as características de uma partícula simplesmente olhando para a outra na qual ela está emaranhada. É tão impressionante que Albert Einstein chamou essa característica de “ação fantasmagórica à distância”.

Comunicação quântica significa enviar uma mensagem usando o emaranhado de pares de fótons (partículas de luz). E não é novidade. Desde os anos 90, China, Estados Unidos e países europeus realizaram experimentos para desenvolver uma rede quântica 100% segura para o envio de mensagens estratégicas.

Mas o grande obstáculo para a tecnologia sempre foi a distância. A transmissão de fótons por fibra óptica, por exemplo, tem muitas perdas, sendo efetiva apenas até cerca de 100 km. Portanto, o uso de um satélite especial é essencial.

Como foi o experimento chinês?

Micius (também chamado Mozi na China), lançado pela China em 2016, é o primeiro satélite quântico do mundo. Ele orbita a Terra a uma altitude de 500 km. Enquanto um satélite comum usa ondas de rádio para nos enviar mensagens, Micius usa lasers e cristais, que emitem fótons emaranhados.

No experimento, o satélite enviou uma chave de criptografia secreta, escrita com pares de fótons emaranhados, a duas estações nas cidades de Delingha e Nanshan. Um telescópio especial em cada um deles recebeu um raio laser com metade dos pares.

Uma chave quântica de 372 bits foi transmitida, que pode ser usada para criptografar qualquer mensagem enviada entre estações por outros meios, como rádio, telefonia ou Internet. Cada bit de informação é codificado usando um par de fótons emaranhados, ou seja, somente alguém com a outra partícula pode acessá-lo.

Milhares de bits são gerados por segundo. Mas a grande maioria dos pares de fótons não chega ao seu destino por várias razões.

“Por exemplo, o raio laser aumenta de diâmetro até atingir a Terra e há interferência de nuvens, poeira e outras fontes de luz. Aproximadamente um par de fótons por mil é usado. Isso é perfeitamente seguro. Os outros fótons são simplesmente eles descartam, mas é necessário gerar muitos para competir com o processo “, afirma Martinelli.

Demorou duas semanas para a chave transmitir completamente, a uma taxa de 0,12 bits por segundo. O professor explica: “Micius trabalha em uma órbita que chamamos de ‘solar’. Em outras palavras, ele passa por um determinado local apenas uma vez por dia, ao mesmo tempo. E ele tem aproximadamente cinco minutos de grande visibilidade para cada ponto.”

Por 285 segundos todos os dias, o satélite estava em contato com cada uma das estações. Ou seja, em cada passagem, cerca de 34 bits foram efetivamente transmitidos. Parece pouco, mas é mais eficaz do que a transmissão por fibra ótica, totalmente segura e aplicável, principalmente para usos governamentais e militares.

Por que é tão seguro?

A mera observação da comunicação quântica por terceiros corrompe as informações. Medir as propriedades de um fóton afeta o sistema imediatamente, mesmo que seu par esteja a milhares de quilômetros de distância. Se alguém tentar acessar as partículas enviadas, o emaranhado se quebra e deixa uma marca na transmissão.

As possibilidades do estado quântico são diferentes das correlações clássicas às quais estamos acostumados. Martinelli faz a analogia com uma caixa de sapatos fechada. Se você abrir e houver apenas um pé direito marrom, você saberá que há outro pé esquerdo marrom que perdeu. Então é fácil decifrar. Isso seria uma comunicação comum.

A comunicação quântica, por outro lado, gera duas possibilidades de medição incompatíveis: podemos perguntar se o sapato é direito ou esquerdo, ou se é marrom ou preto, mas não podemos fazer as duas perguntas ao mesmo tempo. E não podemos abrir a caixa, pois esse fato simples já mudaria o estado das coisas.

“Isso fica claro com o fóton. Suas propriedades aleatórias podem ser associadas aos bits (0 ou 1), que formarão a chave criptográfica. Mas se alguém mede, não será possível; se alguém tentar copiá-lo, fará uma medição errônea. E, de acordo com as leis da física, somente com as duas partes é possível acessar a mensagem. Manter o emaranhado é a chave para a comunicação quântica “, explica Martinelli.

O satélite Micius produz o emaranhado em seus raios laser. Na comunicação entre estações terrestres, dois princípios quânticos atuam para proteger a segurança: a incerteza de Heisenberg, que não permite medir mais de uma variável de fótons ao mesmo tempo (uma vez que, no exemplo anterior, o sapato é preto ou marrom, direita ou esquerda) e o teorema da não-clonagem, que impede que um estado quântico desconhecido se repita. Em resumo, você não pode copiar ou medir um fóton sem perder o emaranhado.

“Não há como criar um elemento básico na comunicação quântica. Nem sequer é possível amplificar o sinal, pegar um fóton e transformá-lo em vários para ir além. Os fótons são desarrumados individualmente, mas estão perfeitamente emaranhados globalmente. Qualquer interação perturba esse delicado equilíbrio “. diz o professor

Algo que é certo é impossível com tecnologias não quânticas. A coisa mais avançada hoje é o protocolo geral de criptografia RSA. E pode ser quebrado precisamente com um computador quântico. Uma chave quântica não pode ser violada mesmo por eles.

“Na presença de um espião, a correlação entre os fótons é perdida; portanto, uma tentativa de invasão é sempre detectada. A troca quântica de chaves emaranhada mostrou ser completamente segura, o que não é o caso da troca de chaves. clássico “, acredita Sebastião Pádua, professor do Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).

E é por isso que os governos estão tão interessados ​​no assunto. A NASA está desenvolvendo o projeto “National Space Quantum Laboratory”, que pretende usar um sistema de laser na Estação Espacial Internacional (ISS), para transmitir mensagens quânticas. E, desde 2018, a Europa já tem o OPENQKD, seu próprio projeto de comunicação quântica, na fase de teste.

“Esta é uma revolução e um passo importante na formação de redes quânticas globais e seguras. A importância do resultado chinês é que os países verão que isso é possível. Acho que a tendência é que os Estados Unidos e a Europa tenham seus próprios satélites de comunicação. quantum “. “acredita em Pádua.

Ele ressalta que o Brasil também pode entrar na corrida. “Temos tecnologia para fabricar satélites, precisamos nos esforçar com outros países da América do Sul. O projeto chinês tem mais de dez anos. A pesquisa é realizada com recursos contínuos de agências de desenvolvimento e isso está ausente no Brasil”, conclui o professor. .