Frequency subspace encoding for multiplexed quantum secret sharing

No campo da comunicação segura, os cientistas têm há muito tempo dependido das estranhas regras da mecânica quântica para proteger informações. Imagine um sistema onde o próprio ato de tentar ler uma mensagem a altera, alertando o remetente de que alguém está ouvindo. Esta é a base da distribuição de chaves quânticas, um método já utilizado para gerar códigos de criptografia inquebráveis entre duas pessoas. No entanto, um desafio mais complexo surge quando um segredo precisa ser compartilhado entre três ou mais pessoas, onde nenhuma pessoa detém a resposta inteira, e o grupo deve trabalhar em conjunto para reconstruir a verdade. Isso é conhecido como partilha de segredos quânticos. Embora a teoria seja sólida, construir uma rede que possa lidar com muitos usuários simultaneamente tem sido difícil. Os métodos tradicionais geralmente exigem uma fonte de luz dedicada e separada para cada par de usuários, ou aplicam um único sinal de controle que afeta todo o feixe de luz de uma só vez. Isso torna impossível enviar segredos diferentes para grupos diferentes de pessoas através do mesmo cabo de fibra ótica ao mesmo tempo, uma limitação que tem mantido as redes quânticas de grande escala fora de alcance.

Pesquisadores da Universidade Friedrich Schiller de Jena e do Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão demonstraram agora uma forma de superar este gargalo. Eles desenvolveram um novo método que permite que uma única fonte de partículas de luz emaranhadas sirva a múltiplos grupos de usuários simultaneamente, cada um recebendo seu próprio segredo independente. A equipe alcançou isso tratando a luz não como um feixe único e uniforme, mas como uma coleção de canais de cores distintas, tal como um prisma divide a luz branca num arco-íris. Ao controlar cuidadosamente o tempo das ondas de luz dentro de bandas de cores específicas, eles foram capazes de codificar diferentes segredos em diferentes partes do mesmo feixe sem que estes interferissem uns nos outros. Esta abordagem transforma efetivamente uma fonte quântica numa autoestrada de várias faixas para dados seguros, onde cada faixa transporta uma mensagem única para um par específico de destinatários.

O experimento baseou-se num dispositivo que gera pares de fotões, que são partículas de luz, que estão ligados de uma forma que as suas propriedades são perfeitamente correlacionadas. Nesta configuração, um fotão é enviado para um controlador central, conhecido como o distribuidor (dealer), enquanto o outro é enviado para a rede. O distribuidor aplica então um tipo específico de modulação à luz, alterando a fase, ou o tempo da onda, para cada canal de cor de forma independente. Este processo é semelhante a sintonizar um rádio em diferentes estações; tal como um rádio pode captar uma estação sem ouvir as outras, o sistema dos investigadores consegue isolar e ler o segredo codificado num canal de cor enquanto ignora o resto. A equipa utilizou uma fonte de luz de banda larga que abrange uma vasta gama de comprimentos de onda, permitindo fatiar o espetro em muitos compartimentos de frequência separados. Eles selecionaram pares específicos destes canais para atuarem como linhas de comunicação independentes, garantindo que o segredo partilhado entre um par de utilizadores não vazasse para o canal utilizado por outro par de utilizadores.

Para provar que este método funcionava, os investigadores testaram o seu sistema utilizando uma grelha de canais padrão de telecomunicações. Eles codificaram e transmitiram segredos com sucesso através de dois canais específicos dentro de um espaçamento de 200 gigahertz, um padrão utilizado nas redes modernas de fibra ótica. Os resultados mostraram que os estados quânticos que criaram eram altamente precisos, correspondendo aos estados teóricos ideais com uma fidelidade de pelo menos 90 por cento. Este alto nível de precisão é crucial porque significa que a informação permaneceu intacta e segura, apesar da complexa manipulação necessária para separar os canais. A equipa também monitorizou o sistema continuamente para garantir que as delicadas conexões quânticas permaneciam estáveis, utilizando um ciclo de feedback que ajustava o equipamento em tempo real para neutralizar vibrações ambientais e mudanças de temperatura. Mesmo com estes ajustes necessários, o sistema manteve uma alta qualidade de sinal, demonstrando que o método é robusto o suficiente para uso prático.

As implicações deste trabalho estendem-se para além de um único experimento bem-sucedido. Os investigadores mostraram que a sua configuração poderia, teoricamente, suportar mais de 40 canais de frequência diferentes, o que permitiria uma rede totalmente conectada de até nove utilizadores utilizando equipamento padrão. Esta escalabilidade é um passo significativo, pois elimina a necessidade de múltiplas e caras fontes de luz para criar uma grande rede quântica. Em vez disso, uma única fonte no centro da rede pode distribuir segredos para qualquer número de pares de utilizadores, desde que a rede esteja equipada com os filtros certos para separar as cores. A equipa observou que, embora a sua demonstração atual tenha utilizado componentes que operavam a velocidades relativamente baixas, a tecnologia subjacente é compatível com dispositivos muito mais rápidos que poderiam eventualmente lidar com taxas de dados comparáveis às velocidades atuais da internet.

O estudo confirma que é possível realizar a partilha de segredos quânticos numa rede multiplexada por comprimento de onda, um feito que anteriormente se pensava limitado pela incapacidade de controlar os canais individualmente. Ao aproveitar as correlações naturais de frequência da fonte de luz e aplicar uma modulação de fase espectral precisa, os investigadores abriram um caminho para uma criptografia quântica mais eficiente e escalável. O trabalho não pretende afirmar que resolveu todos os problemas na área, mas fornece um método concreto e eficiente em termos de recursos para expandir as redes quânticas. A capacidade de executar múltiplas sessões independentes de partilha de segredos sobre um único cabo de fibra ótica sugere que a infraestrutura para uma futura internet quântica, capaz de conectar muitos utilizadores de forma segura, está a tornar-se cada vez mais viável. Os resultados, alcançados com componentes comuns e grelhas de telecomunicações padrão, indicam que a transição dos experimentos de laboratório para aplicações do mundo real está ao alcance.