A elevada dependência das tecnologias de informação que se constata em quase todos setores de atividade, conduz à necessidade de aprimoramento de segurança nas redes de tele- comunicações. Muito se tem feito para o aprimoramento da segurança no nível de aplicação. Os siste- mas de autenticação são cada vez mais robustos e os algoritmos de encriptação são cada vez mais complexos. Mas o crescente aumento da capacidade dos processadores, a utilização de clouds para o processamento concorrente de informação, bem como o advento da computação quântica, deixam claro que é apenas uma questão de tempo para que qualquer algoritmo de encriptação seja quebrado. Por outro lado, uma informação encriptada pode ser detectada por um agente externo e mesmo que não consiga decifrar pode usar técnicas de processamento de sinal para compro- meter a integridade ou a disponibilidade da mesma. Assim sendo, não se pode confiar a segurança apenas à camada de aplicação, antes deve- se ter uma abordagem de segurança em profundidade. Portanto, a segurança no nível físico com recurso ao formalismo quântico surge como uma proposta complementar de segurança. A presente dissertação explorará a propriedade da sobreposição de estados lógicos dos qubits, para alterar a probabilidade de observação dos sinais transmitidos, de modo a tornar o sinal indetetável e indecifrável sem o conhecimento prévio da chave criptográfica. Para que seja um sistema de segurança forte, os qubits serão representados por wavelets pseudoaleató- rias com todas as caraterísticas estatísticas de ruído branco gaussiano.
A elevada dependência das tecnologias de informação que se constata em quase todos setores de atividade, conduz à necessidade de aprimoramento de segurança nas redes de tele- comunicações. Muito se tem feito para o aprimoramento da segurança no nível de aplicação. Os siste- mas de autenticação são cada vez mais robustos e os algoritmos de encriptação são cada vez mais complexos. Mas o crescente aumento da capacidade dos processadores, a utilização de clouds para o processamento concorrente de informação, bem como o advento da computação quântica, deixam claro que é apenas uma questão de tempo para que qualquer algoritmo de encriptação seja quebrado. Por outro lado, uma informação encriptada pode ser detectada por um agente externo e mesmo que não consiga decifrar pode usar técnicas de processamento de sinal para compro- meter a integridade ou a disponibilidade da mesma. Assim sendo, não se pode confiar a segurança apenas à camada de aplicação, antes deve- se ter uma abordagem de segurança em profundidade. Portanto, a segurança no nível físico com recurso ao formalismo quântico surge como uma proposta complementar de segurança. A presente dissertação explorará a propriedade da sobreposição de estados lógicos dos qubits, para alterar a probabilidade de observação dos sinais transmitidos, de modo a tornar o sinal indetetável e indecifrável sem o conhecimento prévio da chave criptográfica. Para que seja um sistema de segurança forte, os qubits serão representados por wavelets pseudoaleató- rias com todas as caraterísticas estatísticas de ruído branco gaussiano.
As assinaturas digitais são de fundamental importância para as comunicações eletrônicas no mundo todo por garantirem a integridade e autenticidade da informação. Com os avanços da ciência nas áreas da mecânica quântica e a introdução destes novos conceitos nas telecomunicações, a segurança da informação também precisou evoluir e cada vez mais se tem buscado novos sistemas de segurança que forneçam maior integridade e autenticidade que os sistemas clássicos. Dessa forma o objetivo deste trabalho é utilizar as propriedades do problema QSCDff , para a criação de um protocolo de assinatura quântica de mensagens. O problema QSCD ff possui propriedades matemáticas e computacionais para garantir a integridade e autenticidade das assinaturas geradas. O protocolo proposto faz uso de chaves descritas na forma de estados quânticos construídos a partir de permutações de um grupo simétrico e de uma função de hash para a compressão da mensagem original. Como entrada o protocolo recebe a mensagem clássica e uma chave privada. Para a geração do estado quântico da assinatura utiliza-se uma permutação como chave privada e o hash da mensagem. Gerar tal assinatura sem ter uma chave privada consiste em resolver um problema de encontrar automorfismos não triviais de grafos. A validação deste estado é feita através da aplicação do algoritmo quântico de busca de Grover. Por fim é mostrado que a probabilidade de falsificação da assinatura é negligenciável dado o número de cópias do estado da assinatura.
A segurança nas telecomunicações é alvo constante de estudos, seja para garantir qualidade de serviço a clientes ou assegurar a confidencialidade dos dados e da comunicação. Para assegurar que, quem põe em perigo estes requisitos não vença a corrida, é necessário encontrar métodos que garantam a segurança nas telecomunicações. Neste contexto, o nível físico explora as propriedades físicas quer do sinal, quer do meio físico, meio onde é realizada a comunicação. Os métodos do nível físico trazem a vantagem de poderem ser acrescentados ao sistema, não necessitando, por vezes, de alterações ao sistema clássico já montado, podendo complementá-lo. A solução que esta dissertação promove, é a conceção dum sistema de segurança a nível físico, fundamentado através do formalismo quântico, denominado waving. O waving permite a criação dum sinal real de qubits que surgirá do somatório de vários qubits ortogonais entre si. Este sinal poderá conter mais do que uma mensagem codificada, sendo que o sinal mantém uma dimensão única. Como prova de conceito, foi estabelecida uma comunicação através dum pro- tocolo TCP/IP entre um computador e um drone, com o objetivo de colocar o drone a realizar uma missão de voo após descodificação e extração da mensagem do sinal. Este exercício prático valida a possibilidade do uso de codificação waving nos sistemas de telecomunicações atuais.
Desde a primeira vez que computação quântica foi concetualizada por Feynman, simulação quântica tem estado na vanguarda das possiveis aplicações de interesse. Os custos proibitivos de simular sistemas quânticos com computadores classicos são uma forte motivação para a investigação em computação quântica. Ao longo da última década, tem-se observado um progresso notável no desenvolvimento de hardware quantico. No entanto, os obstáculos entre nos e a era de vantagem quantica util mantem-se essencialmente os mesmos: A informação quântica e fragil, e protegê-la é um desafio. Visto que os dispositivos quânticos atuais são ruidosos e tem um número limitado de qubits, desenvolver algoritmos que possam ser executados neles e uma area de investigação importante. Por resultarem em circuitos de preparação de estado (ansatze) pouco profundos e treinaveis, algoritmos quânticos variacionais (VQAs) adaptativos são uma opção promissora. O primeiro algoritmo nesta classe, o ADAPT-VQE, pode ser utilizado para problemas de estrutura eletronica, otimização combinatoria, materia condensada, sistemas periódicos no tempo, entre outros. Nesta tese, são propostas varias melhorias para VQAs adaptativos, com o objetivo de diminuir os custos e aumentar a viabilidade a curto prazo. Propõe-se um otimizador quasi-Newton para VQAs adaptativos que reduz os custos de medição necessários para implementar estes algoritmos em hardware quântico, bem como o tempo necessario para os simular classicamente. Propõe-se ainda um novo conjunto de operadores — “operatores de intercambio acoplado” (CEOs) — que resulta no menor numero de portas quanticas e na menor profundidade de circuito entre todas as propostas na literatura. Combina-se varios desenvolvimentos-chave e mostra-se uma redução dramatica dos recursos computacionais quânticos necessários em comparação com as primeiras versões do algoritmo ou com ansätze estáticos para VQE. Adicionalmente, propõe-se uma versão codesenhada do ADAPT-VQE (Co-ADAPT-VQE) onde o hardware quântico e tido em consideração na construção do ansatz. Este paradigma pode ser utilizado para otimizar circuitos de preparação de estado em qualquer dispositivo, colmatando limitações como conetividade limitada, tempos de coerencia curtos, e erros nas portas quanticas. Finalmente, propomos estrategia para mitigar “vales de gradientes”, um problema de convergência especifico ao ADAPT-VQE.
Nos dias atuais, os sistemas de criptografia e autenticação desempenham um papel fundamental em aplicações que envolvem a manipulação de informações sigilosas, tais como movimentações financeiras, comércio eletrônico, aplicações militares e proteção de arquivos digitais. A popularização do uso dos sistemas de criptografia e autenticação se deve, em grande parte, a descrição de esquema de criptografia por chave pública. A segurança de tais sistemas é baseada na intratabilidade computacional (clássica) de problemas da teoria dos números, como a fatoração em produtos de primos e o problema do logaritmo discreto. A partir da formulação da Mecânica Quântica, foram demonstrados algoritmos que, executados em um computador quântico e consumindo tempo e recursos polinomiais, são capazes de resolver tais problemas. A construção de um computador quântico inviabilizaria, portanto, o uso de sistemas de criptografia e autenticação por chave pública. Nesta dissertação é discutido o problema da autenticação quântica de mensagens clássicas. É proposto um protocolo híbrido que alcança segurança incondicional, mesmo que um criptoanalista disponha de recursos computacionais infinitos, sejam eles clássicos ou quânticos. Através de uma prova matemática formal, é mostrado que o nível de segurança pode ser feito tão alto quanto desejado. Tal segurança é-garantida pelos princípios fundamentais da mecânica quântica.
O objetivo do trabalho é estudar algoritmos quânticos de busca, usados em computadores quânticos. Até então, algoritmos de busca utilizados em computadores clássicos dependem da estrutura na qual os dados estão organizados para serem ou não eficientes. Para conjuntos de dados não estruturados, o único jeito é verificar cada elemento do conjunto procurando o elemento passado na entrada do algoritmo, e dependendo da quantidade de elementos nesse conjunto, pode-se levar muito tempo, mesmo para computadores muito rápidos. Portanto, algoritmos que realizem busca de maneira eficiente são um atrativo e tanto para cientistas da computação, que podem pensar em inúmeras aplicações dos mesmos e tornar vários softwares cada vez mais eficientes. Tendo isso em vista, a computação quântica traz artifícios inexistentes na computação clássica que podem acelerar esse processo, como, por exemplo, o paralelismo quântico. Basicamente, consiste na capacidade de sobrepor todos os dados do conjunto em um único registrador, ou a grosso modo, analisar todos ao mesmo tempo, apesar de não ser tão simples quanto isso. É baseado nisso que temos o Algoritmo de Grover, que utilizando o paralelismo quântico, e reflexões no conjunto de dados, através do uso de transformações unitárias feitas por portas quânticas, temos uma probabilidade alta de que quando medirmos este registrador quântico, termos como resultado o dado procurado.
São cada vez mais necessários desenvolvimentos em métodos de encriptação que permitam comunicação perfeitamente segura sobre a ameaça de qualquer entidade externa. Essa necessidade surge relacionada com a continua informatização dos dados de qualquer indivíduo.O desenvolvimento de um sistema de encriptação teoricamente infalível está limitado pelo problema de distribuição de chaves, que é passível de intrusão. Certas propriedades quânticas oferecem uma solução possível para a criação de um sistema robusto de distribuição de chaves para encriptação. Exploração de propriedades quânticas, como o principio da incerteza de Heisenberg ou o teorema da não clonagem, permitem a deteção de intrusão durante a distribuição de chaves, pelo efeito que têm no aumento de uma taxa de erro. No entanto, o sistema fica mais sensível e vulnerável a erros em comparação a outros sistemas de encriptação comummente utilizados. Este aumento em dificuldade leva a que o hardware necessário seja mais complexo. O aumento da complexidade do hardware, no entanto, não compensa, atualmente, as perdas em distância e frequência de encriptação. Devido a tal muito trabalho ainda tem de ser feito em otimização e compensação de erros.Esta dissertação foca-se na apresentação de um método de otimização de um transmissor num sistema distribuição de chaves de encriptação quânticas. Os bits quânticos nesta aplicação são codificados utilizando o estado de polarização de fotões. Este método de codificação é geralmente referido de, Distribuição de Chaves Quânticas com Variáveis Discretas (DV-QKD). O transmissor utiliza um Controlador de Polarização Elétrico (EPC) que modifica a estado de polarização da luz consoante a tensão elétrica aplicada aos vários estágios que o constituem. Nesta dissertação procuramos otimizar a escolha de tensões a aplicar ao controlador de polarização elétrico. O objetivo é obter os seis estados de polarização necessários à saída do EPC no menor intervalo de tensões possível. O processo de criação da função custo, escolha e aplicação de um algoritmo de machine learning é discutido detalhadamente. Embora não sabendo todas as caraterísticas do EPC, relacionadas com a calibração, resultados que validam os dados obtidos numericamente pelo algoritmo são demonstrados. A aplicação do algoritmo, Otimização de Enxame de Partículas (PSO), como método de otimização da geração dos estados de polarização, foi relizada com sucesso. Resultados obtidos provam que transições entre os seis estados de polarização, usados em sistemas distribuição de chaves quânticas, são possiveis num intervalo de tensão inferior a 10 V em cada pino de controlo de um estágio do EPC, um valor pequeno quando comparado à gama de total de 140 V do EPC utilizado.A hipótese de utilizar outra versão deste algoritmo como método de compensação a desvios, em relação ao estado de polarização esperado, é também discutido.