O Poder do XOR – Relatório de Computação Quântica

Como funciona a distribuição quântica de chaves (QKD).

A distribuição quântica de chaves (QKD) é construída em XOR. Como isso funciona?

Seja X = remetente: Alice e Y = destinatário: Bob. A partir da chave compartilhada de Alice e Bob, que é uma string binária, a mensagem binária de Alice para Bob é codificada usando sua chave compartilhada e o processo de criptografia XOR. No lado receptor, Bob pode descriptografá-lo usando sua chave compartilhada e decodificação XOR. Esta técnica de criptografia é chamada de 'one time pad'.

A 'criptografia de chave pública' vai um passo além de um único bloco de tempo com chaves binárias compartilhadas por Alice e Bob: uma pública, que eles compartilham, e uma privada, que cada um deles mantém. Embora o mundo possa conhecer sua chave pública, Alice e Bob ainda podem se comunicar de forma segura e ainda usam XOR.

“Por quanto tempo você quer que essas mensagens permaneçam secretas? […]
Quero que permaneçam em segredo enquanto os homens puderem fazer coisas ruins.”
-Neal Stephenson, O Criptonômico

QKD prossegue usando polarização de fótons. A polarização de fótons individuais é medida em relação ao eixo. Como a polarização é um processo binário, Alice e Bob podem comunicar sua chave única definindo um dos eixos, digamos horizontal: “0”, e o outro eixo, digamos vertical: “1”. A comunicação é segura por causa da mecânica quântica. O fóton está no auge dos efeitos especiais, simultaneamente. Se houver um bisbilhoteiro, o bisbilhoteiro deve interceptar cada fóton para medi-lo, o que quebra o estado quântico do fóton. É essa dobragem de uma posição mais alta para uma posição única, que diz a Alice e Bob que alguém está ouvindo. Uma excelente explicação em vídeo orienta você no processo QKD, incluindo o algoritmo BB84, que discutimos aqui, e o algoritmo E91, sobre o qual você pode ler e outros princípios QKD aqui. O Quantum Safe State of Play da GQI também explica esses princípios em sua apresentação de 73 slides.

XOR Power torna possíveis satélites quânticos

Ao transmitir cada parte da chave usando um único fóton, o QKD cria chaves extremamente seguras entre partes amplamente separadas. Katanya Kuntz, que falou esta semana na palestra semanal QKD/QSAT da Associação de Segurança e Defesa Quântica, é a pessoa que me alertou sobre o ‘poder do XOR’ no contexto de QKD e Satélites Quânticos (QSATs). Ele é o coordenador da equipe de suporte técnico e científico do Quantum EncrYption and Science Satellite (QEYSSat) da Agência Espacial Canadense, a missão de exploração espacial QKD do Canadá, e cofundador e CEO da QUBO. Ele descreveu outra jornada de dez anos (até agora) para provar o conceito QSAT, primeiro com uma demonstração terra-ar.

Com essa demonstração bem-sucedida, a missão QEYSSat pode continuar. Apresentação e artigo de Kuntz: Jennewein et al., 2014 apresentou os princípios da missão QEYSSat, que é uma demonstração UPLINK, da terra ao espaço. QEYSSat, uma missão de 3 a 5 anos, com data de lançamento atual prevista para terminar em 2025, é um pequeno satélite (Jennewein et al., artigo de 2014.

Uma simulação óptica quântica completa do sistema QEYSSat QKD foi desenvolvida modelando a distribuição do feixe causada pela difração e pelo movimento do vento, contabilizando estatísticas de fundo das luzes da cidade, da Lua e do céu, e o desempenho de um único detector de imagem. O desempenho da trajetória de cada satélite permite o cálculo da taxa média de chave QKD e da taxa de erro quântico de bits (QBER) todos os meses. As passagens de satélite foram realizadas usando características de órbita esperadas. Além do artigo de Jennewein, a pesquisa sobre este dispositivo inclui artigos de Bourgoin et al., 2013 (projeto e modelagem), Bourgoin et al., 2015 (análise adicional), C. Pugh et al., 2017 (demonstração de voo), Anisimova et al., 2017 (danos por radiação), e DSouza et al., 2020 (danos por radiação e descarga térmica).

Como QEYSSat é uma missão espacial de demonstração, assim como científica, existem testes adicionais de Memória Quântica, Estação Terrestre Quântica para distribuição de chaves (Nacional e Internacional), Instalação de Configurações Relacionadas e capacidade de Óptica Adaptativa. O governo canadense forneceu recursos significativos para a equipe científica desta missão, que está atualmente localizada em treze universidades canadenses. Os parceiros científicos internacionais do QEYSSat estão atualmente em dez locais em sete países. Fica claro pelo escopo deste trabalho que o governo canadense tem planos importantes para a tecnologia quântica, além dessas máquinas, especialmente na comunicação quântica. O poder do XOR acabará por conectar o mundo. Abordarei alguns desses programas canadenses no próximo artigo.

Nosso futuro quântico seguro

O desenvolvimento das comunicações quânticas no Canadá destaca a jornada para a Internet Quântica que descrevi em um artigo anterior do QCR sobre o 'Killer App'. A Internet Quântica segue ambientes seguros estabelecidos, que são “seguros quânticos”.

A visão da GQI para um futuro quântico seguro é multicamadas, uma “baseada em matemática” usando os princípios PQC do NIST à medida que evoluem, a outra “baseada em física” usando QKD, módulos de segurança de hardware (HSM) e quantum. gerador de números aleatórios (QRNG). Veja a próxima figura.

. Slide de uma apresentação do GQI chamada Introdução à Tecnologia Quântica. Este deck interativo é uma apresentação abrangente e aprofundada de 20 slides sobre o estado da tecnologia quântica hoje, abordando os fundamentos do hardware quântico. A GQI oferece seis apresentações de slides para clientes que descrevem o estado da situação em vários campos: introdução à tecnologia quântica, hardware quântico, segurança quântica, detecção quântica, imagem e tempos, software quântico e paisagem quântica.

Se você quiser saber mais, não hesite em entrar em contato