A computação quântica impõe desafios à segurança dos sistemas criptográficos clássicos, motivando o uso de abordagens como a Distribuição de Chaves Quânticas (QKD). Este trabalho analisa o protocolo BB84 por meio de simulação computacional, investigando a relação entre a taxa de interceptação e o Quantum Bit Error Rate (QBER). Os resultados indicam um aumento progressivo do QBER conforme cresce a interceptação, com convergência para aproximadamente 25% em cenários de interceptação total. Observa-se ainda que níveis intermediários já comprometem a segurança da chave. O estudo sugere a eficácia do QBER como indicador de interferências no contexto simulado e contribui com uma abordagem reprodutível para análise de protocolos de QKD. O código-fonte adaptado e utilizado na simulação está disponível publicamente em: https://github.com/lupetenazzi/quantum-cryptography-bb84
A computação quântica impõe desafios à segurança dos sistemas criptográficos clássicos, motivando o uso de abordagens como a Distribuição de Chaves Quânticas (QKD). Este trabalho analisa o protocolo BB84 por meio de simulação computacional, investigando a relação entre a taxa de interceptação e o Quantum Bit Error Rate (QBER). Os resultados indicam um aumento progressivo do QBER conforme cresce a interceptação, com convergência para aproximadamente 25% em cenários de interceptação total. Observa-se ainda que níveis intermediários já comprometem a segurança da chave. O estudo sugere a eficácia do QBER como indicador de interferências no contexto simulado e contribui com uma abordagem reprodutível para análise de protocolos de QKD. O código-fonte adaptado e utilizado na simulação está disponível publicamente em: https://github.com/lupetenazzi/quantum-cryptography-bb84
Resumo A criptografia clássica utiliza suposições de dificuldade computacional, como a fatoração de grandes números, para garantir segurança na comunicação. Tal uso pode ser comprometido por avanços de hardware ou software, como a implementação do algoritmo de Shor pela computação quântica. O trabalho em tela explora a segurança da criptografia quântica atrelada inteiramente às leis da mecânica quântica, em um contexto no qual busca-se gerar, de forma segura, chaves clássicas por meios quânticos com a Distribuição Quântica de Chaves para posterior uso em algoritmos como o one-time-pad. A pesquisa teve foco na QKD dependente de equipamentos, mais especificamente dentro da categoria de preparação e medição, contemplando implementações práticas do protocolo de seis estados feitas no IBM Quantum Experience platform. Explora-se cenários ideais, ruidosos, com e sem adversários, analisando os resultados através do QBER. O trabalho abrange ainda conceitos sobre os procedimentos de pós-processamento de reconciliação da informação e amplificação privada, mencionando eventuais ataques quânticos e suas contramedidas, citando a distribuição quântica de chaves independente de dispositivos como uma das possíveis abordagens de solução.
Resumo A física quântica marca um novo paradigma no desenvolvimento de tecnologias – nesse contexto, este trabalho apresenta um panorama acerca da Distribuição Quântica de Chaves (QKD). Partindo dos conceitos clássicos de criptografia e da ameaça iminente de computadores quânticos capazes de quebrar algoritmos de segurança amplamente utilizados, como o RSA, exploramos como a QKD aproveita propriedades intrínsecas da mecânica quântica – superposição, medidas em bases conjugadas e emaranhamento – para gerar chaves criptográficas seguras. Discutimos os primeiros protocolos com modelagem discreta (BB84, E91) detalhando cada etapa de pós-processamento: estimação de parâmetros, correção de erros e amplificação de privacidade; além de elaborarmos sobre as noções básicas de como avaliar segurança nesse contexto. Abordamos também técnicas modernas, como QKD em variáveis contínuas e (semi-)independente de dispositivos, que apresentam algumas vantagens frente às técnicas tradicionais. Com uma linguagem acessível e exemplos práticos, este tutorial convida o leitor a mergulhar na criptografia quântica e dar os primeiros passos para compreender a área de Distribuição Quântica de Chaves. Dessa forma, visamos fomentar a formação de uma nova geração de pesquisadores nesta área, dada as crescentes iniciativas de redes quânticas em desenvolvimento no Brasil.
A criptografia quântica, exemplificada pelo protocolo BB84, permite a distribuição segura de chaves com base em princípios da mecânica quântica, como superposição e o teorema da não clonagem. Contudo, limitações na taxa de geração de chaves, escalabilidade, problemas de atenuação e ruído nos canais quânticos dificultam sua aplicação prática em cenários de alta demanda. Este estudo propõe uma abordagem híbrida que combina o BB84 com derivação de chaves baseada no Argon2 e amplificação de privacidade utilizando o Kyber512, reduzindo assim a dependência dos canais quânticos e aumentando a eficiência e a robustez contra ataques quânticos. Os resultados experimentais validam a escalabilidade e a segurança do protocolo.
[pt] Os protocolos de comunicação quântica são essenciais para a transmissão segura de informações, utilizando os princípios da mecânica quântica para alcançar uma segurança inatingível por sistemas criptográficos clássicos. Diferentemente dos métodos tradicionais que dependem de chaves criptográficas convencionais, os protocolos quânticos exploram propriedades únicas dos sistemas quânticos para garantir a segurança da comunicação. No entanto, a implementação prática da distribuição quântica de chaves (QKD) é desafiada por erros introduzidos durante a geração e transmissão de estados quânticos e pela possível presença de espiões. Esta dissertação explora algumas das estratégias mais usadas para estimativa de erros, correção de erros e amplificação de privacidade em sistemas de QKD. Por meio de uma revisão bibliográfica e simulações abrangentes, o estudo avalia as técnicas mais eficazes em cada área. O objetivo final desta análise é desenvolver um método a ser implementado na Rede Rio Quântica, uma rede de comunicação quântica metropolitana que interliga as instituições PUC-Rio, CBPF e UFRJ por meio de fibras ópticas e a UFF através de um canal de espaço livre. Os resultados destacam a importância de otimizar as medidas de correção de erros e privacidade para melhorar a confiabilidade e a segurança das redes de comunicação quântica.
Neste trabalho, introduzimos um protocolo para a distribuicao quântica de chaves (QKD) que faz uso de tres estados comprimidos da luz: dois estados de bit, utilizados para a transmissao de informacao, e um estado de Isca, utilizado para a deteccao de espionagem. Seu desenvolvimento teve como base o protocolo de P. Horak (H04) para estados comprimidos, que por sua vez consiste de uma generalizacao do protocolo de R. Namiki e T. Hirano (NH03) para estados coerentes. Analisamos sua seguranca considerando dois tipos de ataques: ataque por medida simultânea das quadraturas e ataque por troca do canal por canal superior. Para esta analise utilizamos uma descricao em termos da funcao de Wigner, obtendo a partir dela distribuicoes de probabilidade conjuntas e marginais. Da distribuicao para os estados de Isca definimos uma Medida da Espionagem M, e discutimos sua utilidade para o calculo da taxa de informacao vazada para Eva em cada ataque. Por fim, para o ataque por troca do canal, analisamos o efeito da introducao de um limiar de pos-selecao sobre as informacoes de Bob e Eva, demonstrando que maiores distâncias de transmissao (menores transmissividades) podem ser suportadas pelo protocolo com o aumento deste parâmetro, ao custo de menores taxas de aceitacao de bits
Abstract
A Distribuição Quântica de Chaves (QKD) é uma técnica criptográfica baseada nos princípios da mecânica quântica, voltada para o estabelecimento seguro de chaves secretas entre partes. Apesar dos avanços na área, ainda existem lacunas importantes para sua adoção prática, especialmente em aplicações como redes privadas virtuais e segurança ponto a ponto. Neste trabalho, propomos uma abordagem para prototipagem de aplicações que utilizam QKD, combinando técnicas de co-simulação entre simuladores quânticos e emuladores de rede. Essa integração permite desenvolver protótipos em um ambiente flexível, sem a necessidade de modificações específicas para suportar uma rede QKD real. Como prova de conceito, implementamos uma aplicação de rede privada e avaliamos sua funcionalidade.