Dentro brevemente
- Os pesquisadores testaram o protocolo de distribuição de chaves BB84 sob condições ruidosas, revelando taxas de erro superiores ao limite teórico.
- Apesar desses desafios, o bisbilhoteiro (Eve) tem lutado para encontrar informações valiosas devido ao ruído inerente ao hardware quântico atual.
- O estudo destaca a robustez do BB84 em ambientes do mundo real e a necessidade de hardware quântico avançado para preencher a lacuna entre a teoria e a prática.
A equipe de pesquisa executou o protocolo de distribuição quântica de chaves (QKD) BB84 através de uma série de cenários do mundo real e descobriu que o método mostrou robustez, mas também revelou vulnerabilidade em alguns cenários barulhentos do mundo real.
Em um estudo publicado no servidor de pré-impressão ArXiv, a equipe descobriu que, embora Alice e Bob – aqueles personagens fofinhos e fictícios que representam duas partes trocando informações – possam tolerar uma certa quantidade de erro de qubit, os resultados do teste mostraram que as taxas de erro estavam altos. Sem isso, Eve, aquele bandido, terá dificuldade para comprometer totalmente a chave devido ao ruído do hardware. A confiabilidade dos clones – cópias de estados quânticos criados durante a escuta – é inferior aos valores teóricos, indicando as limitações do hardware. Essas restrições permitem que Eva roube algumas informações, mas possivelmente a impedem de compreender totalmente a mensagem, mantendo a comunicação segura em geral.
O protocolo BB84, inventado em 1984 por Charles Bennett e Gilles Brassard, ainda é um dos métodos mais amplamente estudados de troca de chaves criptográficas quânticas. Permite que duas partes, Alice e Bob, se comuniquem de forma segura através da transmissão de bits quânticos (qubits), garantindo a geração de uma chave segura com princípios quânticos. No entanto, sua segurança pressupõe um canal quântico ideal e silencioso – um estado que não reside em um ambiente físico barulhento. Neste estudo, conduzido no computador quântico IonQ Harmony, os pesquisadores testaram quanta informação um bisbilhoteiro (Eve) pode capturar usando clonagem covariante de fase assimétrica, uma técnica comum de escuta.
Neste experimento, os pesquisadores tiveram como objetivo medir quanta informação Eva poderia obter quando Alice e Bob transmitissem chaves sob o protocolo BB84, usando o método de escuta correto. A configuração de teste simula cada ataque em que Eve tenta mesclar cada qubit trocado entre Alice e Bob, medindo as taxas de erro e a confiabilidade dos qubits mesclados.
Trabalhando em situações do mundo real
Os resultados do teste, conforme mencionado, destacaram que Alice e Bob podem tolerar uma taxa de erro de qubit de cerca de 15% enquanto ainda refinam a chave segura. Isto se aplica a ataques individuais, não a situações gerais. No entanto, nas condições ruidosas do mundo real de um computador quântico, a taxa de erro qubit de Bob foi de 0,21821 – cerca de 7% superior ao limite teórico.
Testes adicionais mostraram que, embora Eva tenha conseguido bloquear certas informações, sua capacidade de comprometer a troca de chaves foi interrompida pelo ruído encontrado no hardware quântico. A informação mútua obtida por Eve foi de aproximadamente 0,24311, frente ao limite teórico de 0,39912.
Erros encontrados na implementação do nosso circuito de clonagem significam que a confiabilidade dos clones é inferior ao seu valor teórico correspondente, explicaram os pesquisadores. Como resultado, Alice e Bob podem tolerar mais ruído, já que os esforços de escuta de Eve são prejudicados por limitações de hardware.
A equipe realizou os experimentos usando o computador quântico IonQ Harmony
Limitações e direções futuras
Os experimentos fornecem informações importantes, mas os pesquisadores sugerem algumas limitações, incluindo o estado atual do hardware quântico, que introduz ruído significativo no sistema. À medida que os computadores quânticos se tornam mais precisos, a lacuna entre os resultados experimentais e os parâmetros teóricos de segurança diminuirá, permitindo potencialmente esforços de escuta bem-sucedidos.
Os pesquisadores admitem que sua pesquisa se concentra apenas em ataques individuais, onde Eve interage com cada qubit separadamente. Trabalhos futuros precisarão lidar com técnicas de ataque mais complexas, como ataques gerais e coletivos, onde Eve usa memória quântica para realizar medições em todos os qubits mantidos simultaneamente.
Estudos futuros também se basearão neste trabalho, explorando como o desenvolvimento de técnicas de redução de ruído de hardware pode manter a segurança dos protocolos de comunicação quântica.
Uma equipe de pesquisadores, incluindo Brian Pigott, Elizabeth G. Campolongo, Hardik Routray e Alex Khan, forneceu a primeira medição experimental de vazamento de informações no protocolo BB84 sob condições ruidosas do mundo real. A coerência em ambientes ruidosos será crítica para proteger futuras redes de comunicação.
