A Security Analysis for the Rio Quantum Network

A Distribuição Quântica de Chaves (QKD, do inglês Quantum Key Distribution) é uma das aplicações mais relevantes da teoria da informação quântica, especialmente no contexto dos computadores quânticos, que podem, no futuro, comprometer os esquemas de criptografia utilizados no dia a dia. A QKD utiliza os princípios fundamentais da mecânica quântica para permitir que duas ou mais partes compartilhem uma sequência de bits, denominada chave, que é secreta e segura—ou seja, as partes podem verificar que apenas elas conhecem o valor dessa chave. Esse campo tem despertado o interesse de prestigiadas instituições de pesquisa ao redor do mundo e amadureceu a ponto de permitir aplicações em um futuro próximo, utilizando configurações de baixo custo relativo. O objetivo desta dissertação é introduzir o leitor ao funcionamento da QKD, explicando por que e quando ela pode ser considerada segura, além de abordar os principais protocolos de QKD que impactaram a área. Por fim, apresentamos a primeira tentativa do Brasil de implementar uma rede quântica em escala metropolitana, denominada Rede Rio Quântica. A Rede Rio Quântica é uma rede multiusuário que interliga diversas instituições de pesquisa na cidade do Rio de Janeiro. O protocolo analisado é uma variante do protocolo Twin Field QKD (TF-QKD), classificado como Measurement Device Independent QKD (MDI-QKD), o que elimina a necessidade de suposições de segurança sobre os dispositivos de medição. Em vez de Alice e Bob possuírem fontes de fótons em seus laboratórios, eles realizam modulações de fase e amplitude em um sinal enviado pelo nó central, Charlie, para executar o protocolo. Devido à topologia em anel da rede, essa implementação funciona como um protocolo Twin Field QKD baseado em Interferômetro de Sagnac. Demonstraremos como a comunicação é estabelecida entre as partes, os detalhes da geração de chaves seguras e uma análise de segurança com a expressão da taxa de chave secreta para essa variante do protocolo.