A figura mostra o layout conceitual do dispositivo. Para cada qubit i, as guias de onda superiores e inferiores codificam a base computacional {|0⟩ i, |1⟩ i }. A preparação do estado de GHZ quadripartite ao longo da linha tracejada (pontos e cruzes codificando os estados |0101⟩ e |1010⟩, respectivamente) é condicionada ("&” e seta vermelha) à detecção de um e somente um fóton (ponto vermelho) por qubit (crédito: Quantum Information)

Fotônica
Chip que entrelaça quatro fótons abre possibilidade de criptografia quântica inviolável
10 de julho de 2024

O dispositivo poderá ser utilizado para implementar sistemas de compartilhamento nos quais qualquer tentativa de acesso não autorizado alterará as correlações quânticas, possibilitando detecção imediata

Fotônica
Chip que entrelaça quatro fótons abre possibilidade de criptografia quântica inviolável

O dispositivo poderá ser utilizado para implementar sistemas de compartilhamento nos quais qualquer tentativa de acesso não autorizado alterará as correlações quânticas, possibilitando detecção imediata

10 de julho de 2024

A figura mostra o layout conceitual do dispositivo. Para cada qubit i, as guias de onda superiores e inferiores codificam a base computacional {|0⟩ i, |1⟩ i }. A preparação do estado de GHZ quadripartite ao longo da linha tracejada (pontos e cruzes codificando os estados |0101⟩ e |1010⟩, respectivamente) é condicionada ("&” e seta vermelha) à detecção de um e somente um fóton (ponto vermelho) por qubit (crédito: Quantum Information)

 

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – 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 pela alteração inevitável dos estados quânticos envolvidos.

A comparação entre os dois sistemas é bastante impressionante. Atualmente, supercomputadores clássicos podem levar milhares de anos para quebrar códigos criptográficos robustos. No entanto, com a chegada de computadores quânticos suficientemente poderosos, esses mesmos códigos poderão ser decifrados em segundos. “Isso destaca a necessidade urgente de desenvolver e implementar protocolos de segurança quântica que sejam imunes a tais capacidades”, diz o pesquisador Paulo Henrique Dias Ferreira, do Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).

Durante estágio de pós-doutorado no Politecnico di Milano, na Itália, ele integrou a equipe do professor Roberto Osellame. E deu contribuições significativas para a geração e caracterização de estados entrelaçados GHZ (Greenberg-Horne-Zeilinger) de quatro fótons em um chip fotônico. Estudo a respeito foi publicado no periódico Quantum Information, do grupo Nature.

“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”, afirma.

Na área de informação quântica, um estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) é um certo tipo de estado emaranhado que envolve pelo menos três subsistemas (estados de partículas ou qubits). Foi estudado pela primeira vez, no final da década de 1980, por Daniel Greenberger, Michael Horne e Anton Zeilinger. No estudo em pauta, 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”, informa Ferreira.

Para explicar a função do dispositivo em criptografia, ele 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”.

O fenômeno pode ser utilizado para implementar sistemas de compartilhamento secreto quântico, nos quais um regulador compartilha uma chave com vários participantes de forma segura. Qualquer tentativa de acesso não autorizado altera as correlações quânticas, 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 comparam uma parte de seus dados, conseguem detectar discrepâncias causadas por essa interferência”, destaca Ferreira.

O pesquisador argumenta que a aplicação de estados de GHZ em transações comerciais não apenas fortalecerá a segurança das comunicações, mas também oferecerá um mecanismo robusto de detecção de intrusos, essencial para proteger dados sensíveis em um mundo cada vez mais digital e interconectado. “Os sistemas quânticos, utilizando estados GHZ e outros protocolos de entrelaçamento, oferecem uma solução que não pode ser quebrada nem mesmo pelos computadores quânticos mais avançados. Isso porque qualquer tentativa de interferência em um canal quântico altera os estados das partículas envolvidas, permitindo a detecção imediata de qualquer intruso”, diz.

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. “Com avanços contínuos, podemos esperar a integração desses sistemas em infraestruturas de comunicação e computação, proporcionando uma nova era de segurança e eficiência”, conclui Ferreira.

O estudo foi apoiado pela FAPESP por bolsa de pesquisa no exterior concedida ao projeto “Produção de dispositivos para fotônica quântica integrada e sensores através de microfabricação com laser de femtossegundos”.

O artigo High-fidelity four-photon GHZ states on chip pode ser acessado em: www.nature.com/articles/s41534-024-00830-z.
 

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