A falha surpreendentemente simples que pode minar a criptografia quântica

Devido a esse recurso de detecção integrado, o QKD é considerado uma das tecnologias de comunicação mais seguras em desenvolvimento.

Como o erro de apontamento afeta o desempenho do QKD

Um fator crítico que influencia o funcionamento do QKD é o erro de apontamento, que ocorre quando o transmissor e o receptor não estão perfeitamente alinhados. Mesmo um leve desalinhamento pode interferir na troca de sinais quânticos. Isso pode acontecer por vários motivos, incluindo vibrações mecânicas, turbulência atmosférica e/ou imperfeições nos sistemas de alinhamento.

Embora o erro de apontamento desempenhe um papel importante na confiabilidade do sistema, ele não foi completamente estudado em sistemas de comunicação óptica sem fio (OWC) QKD.

Uma nova estrutura analítica para desalinhamento de vigas

Para entender melhor essa questão, pesquisadores publicaram um estudo em Jornal IEEE de Eletrônica Quântica que introduz um modelo analítico detalhado para medir como o erro de apontamento afeta o desempenho do sistema QKD OWC.

“Ao combinar modelos estatísticos de desalinhamento de feixe com a teoria quântica de detecção de fótons, derivamos expressões analíticas para indicadores-chave de desempenho de sistemas QKD, esclarecendo o papel exato de apontar erros na degradação da geração de chaves seguras”, explica o professor Yalçın Ata da Universidade Técnica OSTIM, Turquia.

A equipe se concentrou no protocolo BB84 QKD amplamente utilizado. Para modelar o desalinhamento do feixe de forma mais realista, eles aplicaram distribuições Rayleigh e Hoyt. Essas ferramentas estatísticas representam com mais precisão as variações horizontais e verticais do feixe do que as abordagens simplificadas usadas em estudos anteriores, levando a uma imagem mais clara de como os erros de apontamento aleatório se comportam.

Medindo taxas de erro e geração segura de chaves

Usando esses modelos estatísticos aprimorados, os pesquisadores derivaram expressões analíticas para erros e analisaram as probabilidades sob a indicação de erros, marcando uma inovação no campo. A partir daí, eles calcularam a taxa de erro quântico de bits (QBER), que reflete a porcentagem de bits corrompidos causados ​​por ruído do sistema, condições ambientais, imperfeições de hardware ou tentativas de escuta. Por capturar a confiabilidade geral do sistema, o QBER é um indicador-chave de desempenho.

Eles então usaram o QBER para determinar a taxa de chave secreta (SKR), que mede a rapidez com que chaves compartilhadas seguras podem ser geradas. A análise considerou tanto o desalinhamento simétrico do feixe quanto as condições assimétricas, onde os desvios horizontais e verticais diferem.

O que os resultados revelam sobre a segurança quântica

As descobertas mostram que à medida que a cintura do feixe aumenta, o erro de apontamento também aumenta, levando a um QBER mais alto e a um SKR mais baixo. Em outras palavras, o desempenho diminui à medida que o desalinhamento se torna mais pronunciado. Expandir a abertura do receptor pode melhorar os resultados, mas apenas até um certo limite.

Curiosamente, o desalinhamento assimétrico do feixe provou ser benéfico em alguns casos, oferecendo melhor desempenho do que erros perfeitamente equilibrados. Os pesquisadores também determinaram que a geração de um SKR diferente de zero, essencial para uma comunicação segura, requer o aumento do número médio de fótons transmitidos.

“Nossas descobertas, baseadas na estrutura de Rayleigh e Hoyt, são consistentes com os modelos generalizados existentes, ao mesmo tempo que oferecem uma nova clareza analítica sobre o papel da assimetria na indicação de erros”, conclui o Prof.