Redes de emaranhamento quântico dependem de repetidores e de um plano de controle clássico para estabelecer pares de Bell entre nós. Embora essas redes sejam fundamentadas em princípios físicos que coíbem a observação e a cópia de estados, seu processo de controle ainda pode expor superfícies de ataque. Este trabalho discute o hijacking attack, no qual um agente malicioso redireciona requisições de emaranhamento para um nó incorreto, comprometendo o destino legítimo da comunicação. Como principal contribuição, apresentamos a modelagem desse ataque no simulador SeQUeNCe, considerando dois cenários: (i) um repetidor parcialmente comprometido, que aceita um destino falso como legítimo, e (ii) um repetidor totalmente comprometido, capaz de alterar decisões de roteamento e desviar ativamente requisições.
Redes de emaranhamento quântico dependem de repetidores e de um plano de controle clássico para estabelecer pares de Bell entre nós. Embora essas redes sejam fundamentadas em princípios físicos que coíbem a observação e a cópia de estados, seu processo de controle ainda pode expor superfícies de ataque. Este trabalho discute o hijacking attack, no qual um agente malicioso redireciona requisições de emaranhamento para um nó incorreto, comprometendo o destino legítimo da comunicação. Como principal contribuição, apresentamos a modelagem desse ataque no simulador SeQUeNCe, considerando dois cenários: (i) um repetidor parcialmente comprometido, que aceita um destino falso como legítimo, e (ii) um repetidor totalmente comprometido, capaz de alterar decisões de roteamento e desviar ativamente requisições.
As redes quânticas oferecem uma segurança sem precedentes ao utilizarem protocolos baseados em entrelaçamento e repetidores quânticos confiáveis para viabilizar aplicações como distribuição de chaves quânticas e computação quântica distribuída. Contudo, à medida que essas redes evoluem, novas vulnerabilidades operacionais e de controle emergem, podendo ser exploradas por adversários. Entre essas vulnerabilidades, destacam-se ataques sutis ao processo de troca de entrelaçamento e a manipulação de métricas de desempenho, que representam desafios significativos para a integridade e a eficiência das redes. Este estudo explora uma classe relativamente pouco investigada de ameaças: os ataques Black Hole Repeater. Esses ataques envolvem nós maliciosos que deliberadamente introduzem erros ou falsificam métricas, comprometendo a taxa de sucesso das operações quânticas e gerando ineficiências no uso de recursos, ao mesmo tempo que permanecem indetectáveis por técnicas tradicionais de monitoramento, como a tomografia quântica. Por meio de simulações realizadas em diversas topologias de rede, demonstra-se o impacto potencial desses ataques em métricas-chave de desempenho, destacando a necessidade de soluções adaptativas de monitoramento e arquiteturas resilientes para aprimorar a segurança das redes quânticas.
Estudamos estados Gaussianos quânticos e as propriedades fisicas associadas a operacoes sobre tal classe de estados que preservam a sua natureza Gaussiana. Propriedades gerais de matrizes de covariância globais representando estados Gaussianos bipartidos de dois modos podem ser decompostas em propriedades de matrizes de covariância locais e seus complementos de Schur. Demonstramos que dado um estado Gaussiano de dois modos r12 descrito por uma matriz de covariância V 4 × 4, o complemento de Schur de uma submatriz de covariância local V2 2 × 2 pode ser interpretado como uma nova matriz de covariância representando um operador Gaussiano do modo 1 condicionado a medicoes de paridade no modo 2. Como o valor medio da paridade esta relacionado com a determinacao da funcao de Wigner de um estado na origem do espaco de fase, que pode ser obtido facilmente atraves de experimentos de fotocontagem, este resultado nos permite estudar propriedades desta funcao em termos das probabilidades de medicoes pares e impares no modo local. Tambem generalizamos este procedimento para um estado Gaussiano de n modos e demonstramos que o operador dos n - 1 sistemas condicionado a projecoes parciais de paridade esta relacionado com uma matriz de covariância tal que seus elementos bloco 2 × 2 sao complementos de Schur de matrizes especiais locais.
A determinacao da relacao entre uma estrutura matematica (o complemento de Schur) com um processo fisico permitiram a construcao de um protocolo para a identificacao de propriedades de emaranhamento de um estado Gaussiano de dois modos via apenas medicoes/operacoes locais e um canal de comunicacao classica entre as duas partes. Este protocolo se baseia na obtencao dos quatro invariantes simpleticos locais do grupo Sp(2, R) que determinam as propriedades de emaranhamento e de pureza do sistema Gaussiano de dois modos. Alem disso, para uma classe de estados Gaussianos simetricos, que inclui por exemplo o estado comprimido com ruido termico e o estado EPR, este protocolo tambem e util para a reconstrucao de sua matriz de covariância
Abstract
Propomos um metodo para obtencao de propriedades de sistemas quânticos compostos utilizando apenas medicoes estritamente locais e comunicacao classica. Isso difere dos esquemas usualmente utilizados em protocolos de informacao quântica, que se utilizam em sua maioria de operacoes globais e/ou operacoes locais conjuntas. Nosso tratamento consiste em analisar o efeito de medicoes em um subsistema sobre as submatrizes da matriz densidade do sistema composto. Analisamos entao como outros subsistemas podem ser expressos em termos dessas submatrizes, obtendo assim o efeito das medicoes feitas em um subsistema sobre os outros. Aplicamos esse resultado - valido para sistemas com espacos de Hilbert discretos de dimensao arbitraria - a dois problemas centrais em protocolos de informacao quântica: a reconstrucao de estados de sistemas compostos e a caracterizacao de emaranhamento. Para a tarefa de reconstrucao, mostramos como determinar um estado de um sistema composto de dimensao finita arbitraria utilizando apenas medicoes locais e comunicacao classica de uma via. A vantagem de nossa proposta esta em eliminar a necessidade de medicoes conjuntas, o que se traduz, no contexto de otica linear, em eliminar medicoes de coincidencia. Analisamos a caracterizacao de emaranhamento considerando classes especiais de estados. Para estados com alta simetria - estados isotropicos, de Werner e de simetria rotacional constituidos por um qubit e um qudit - mostramos uma relacao entre o grau de emaranhamento e a diferenca de populacao medida por um subsistema condicionada a medicoes de paridade do outro subsistema, relacao essa ja evidenciada em estados gaussianos simetricos. Alem disso, propomos uma nova familia de estados cujo emaranhamento pode ser caracterizado com muito menos recursos do que os utilizados para a reconstrucao, sendo esses recursos estritamente locais.
Abstract
A geração e proteção de estados quânticos é fundamental para a mecânica quântica. Usualmente, utilizam-se protocolos de engenharia de estados baseados na aplicação sucessiva de transformações unitárias, cuja performance se torna menos efetiva conforme aumenta-se o número de componentes envolvidos nas transformações (já que transformações unitárias dependem de um elevado número de operações ou transformações com alto grau de fidelidade), além de tornarem-se mais vulneráveis a efeitos de flutuações de parâmetros experimentais, efeitos de desordem, decoerência e ruído. Dentre as possíveis estratégias para gerar estados quânticos, existe a chamada engenharia de interações quânticas, na qual pode-se tanto estudar como alterar a maneira a partir da qual sistemas interagem entre si para produzir um determinado estado estacionário desejado, quanto para investigar propriedades dos estados gerados ao se alterar alguma característica de tal interação. Neste trabalho apresentaremos duas propostas para gerar estados não-clássicos via engenharia de reservatórios (engenharia dissipativa) em dois tipos de sistemas distintos. No primeiro, utilizaremos um sistema optomecânico no qual efetua-se engenharia de dissipação a fim de obter hamiltonianos seletivos com os quais é possível preparar-se estados de Fock sob efeitos dissipativos, no qual mostramos o caráter não clássico dos estados obtidos nos regimes de cavidade altos e baixos fatores de qualidade. No segundo, utilizaremos um sistema de spins na qual podemos obter estados não-clássicos (emaranhados) para um sistema com o número de partículas (N) entre 2 e 12 via engenharia de interações quânticas com caráter coletivo, para obter diversos estados, considerando efeitos dissipativos como dissipações térmicas e defasagem, além de considerar a robustez com relação a flutuações em alguns parâmetros experimentais do modelo.
Nessa dissertacao de mestrado estudamos a dinâmica do emaranhamento entre dois atomos remotos localizados em cavidades distintas. O foco principal e a producao de estados maximamente emaranhados entre atomos de dois niveis em cavidades distintas e, em particular, acopladas.
Inicialmente apresentamos os principais conceitos da Teoria de Informacao Quântica, aspectos qualitativos e quantitativos do emaranhamento quântico, em seguida partimos para o sistema fisico proposto: atomos em cavidades. Apresentamos o modelo de Jaynes-Cummings (MJC) e uma breve analise do emaranhamento que surge da interacao atomo-campo descrita por esse modelo. No sistema de duas cavidades desacopladas apresentamos como gerar emaranhamento entre atomos remotos de forma condicional.
E apresentado entao o sistema formado por duas cavidades acopladas interagindo com atomos de dois niveis identicos, fato que corresponde a constantes de acoplamento atomo-campo iguais (g1= g2). A interacao atomo-campo ainda e descrita pelo MJC ja o sistema das cavidades acopladas pode ser modelado conforme a proposta de Zoubi et. al [1](para cavidades separadas por um meio fisico a uma curta distância) ou pela proposta de Pellizzari [2](para cavidades conectadas por uma fibra otica).
Para escolhas adequadas dos parâmetros relevantes em cada caso, a dinâmica dos dois sistemas e equivalente a interacao dos aomos com um campo mono-modo. Em consequencia da aparente simplicidade, investigamos a dinâmica do emaranhamento entre atomos distantes, incluindo a geracao de estados maximamente emaranhados (essencial para o processamento de informacao quântica, comunicacao quântica [3] e computacao quântica distribuida [4, 5] ) de forma deterministica e sem a necessidade de uma interacao indireta entre os modos das cavidades para gerar um estado inicial emaranhado compartilhado
Abstract
Nesta Tese estudamos em detalhes uma das aplicações da mecânica quântica que mais destoa de nosso senso comum: o teletransporte quântico em variáveis Contínuas. Apresentamos uma revisão dos postulados da mecânica quântica e dos sistemas da óptica quântica, em especial sistemas que realizam operações Gaussianas. Após essa revisão aplicamos esses postulados no que resulta na aplicação mais contra intuitiva da mecânica quântica, o teletransporte quântico. Estudamos com detalhes o protocolo de teletransporte e propomos modificações em sua construção visando maximizar a sua eficiência. Estas modificações foram feitas a fim de levar em conta as situações realistas encontradas em sua implementação, qual sejam, o fato de o emaranhamento entre Alice e Bob nunca ser perfeito e o fato de que os estados teletransportados por Alice estarem próximos do estado de vácuo. Após essa análise realizamos uma extensão do protocolo de teletransporte em variáveis contínuas propondo um protocolo de multicanais e estudamos em detalhes o caso de dois canais em paralelo. Por fim, criamos o primeiro protocolo de criptografia quântica que utiliza o teletransporte em variáveis contínuas de forma ativa. Mostramos que esse protocolo é robusto ao ataque de divisor de feixes, sendo o único que funciona com reconciliação direta e sem a necessidade de pós-seleção para perdas superiores a 50%.