Sistema chinês de distribuição de chaves quânticas tolera ruído intenso e partilha fibra ao longo de 150 quilómetros

Uma experiência de segurança quântica aproxima-se das redes de telecomunicações convencionais

Uma equipa de investigação chinesa demonstrou a distribuição quântica de chaves com tolerância ao ruído de 425 quilohertz e testou a transmissão em simultâneo com comunicações óticas convencionais ao longo de 150 quilómetros de fibra partilhada. O trabalho aborda um obstáculo prático às redes quânticas seguras: manter utilizáveis os frágeis sinais quânticos quando encontram os sinais luminosos muito mais fortes transportados por equipamento de telecomunicações.

A equipa, liderada pelo académico Guo Guangcan, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, trabalhou com o Laboratório Provincial de Informação Quântica e Criptografia Quântica de Henan e a Universidade de Correios e Telecomunicações de Nanjing. Entre os investigadores envolvidos estão Han Zhengfu, Chen Wei, Yin Zhenqiang e Wang Shuang.

O artigo publicado na Physical Review Letters pela American Physical Society a 30 de setembro de 2026 descreve um sistema que funciona a uma frequência de repetição de 2,5 gigahertz. O artigo relata a geração de chaves seguras com contagens de ruído de 425 quilohertz, quatro ordens de grandeza acima da tolerância dos sistemas isolados, e uma taxa de chaves seguras ao nível dos quilobits por segundo com 30 decibéis de atenuação do canal.

Estes resultados medem aspetos diferentes do desempenho. A frequência de repetição descreve a rapidez de funcionamento do sistema; a contagem de ruído descreve eventos de deteção indesejados; e a taxa de chaves seguras mede a quantidade de chaves secretas utilizáveis produzidas após o processamento. Distinguir estes valores é essencial para compreender o que a experiência demonstra.

O principal avanço combina um método chamado destilação de vantagem com codificação rápida de sinais e detetores compactos de semicondutores. Em vez de depender exclusivamente da proteção dos sinais quânticos contra o ruído, os investigadores também alteraram a forma como os dados ruidosos das chaves são processados.

O que está a ser protegido?

A distribuição quântica de chaves, ou QKD, permite a duas partes estabelecer uma chave secreta partilhada usando estados quânticos. Essa chave pode depois servir de base a comunicações cifradas. A experiência diz respeito à distribuição de chaves, e não à transmissão de mensagens comuns à frequência de funcionamento do sistema, de 2,5 gigahertz.

A vantagem está na segurança teórica da informação: segundo os pressupostos do protocolo, o sigilo não depende da incapacidade de um atacante para resolver um problema matemático difícil. Os sinais quânticos e as verificações efetuadas durante a geração de chaves permitem aos participantes avaliar se conseguem extrair uma chave secreta das suas medições.

Este estudo utiliza QKD independente do dispositivo de medição, geralmente abreviada como MDI QKD. A sua segurança não exige que se confie no equipamento de medição. Isso é importante porque, caso contrário, os detetores podem introduzir vulnerabilidades numa implementação prática, mesmo quando o protocolo quântico subjacente é sólido.

O termo não significa que todos os elementos da rede possam ser ignorados ou considerados seguros. A preparação dos sinais e os restantes pressupostos do protocolo continuam a ser importantes. A vantagem específica consiste em eliminar a necessidade de confiar nos dispositivos de medição, mantendo a geração de chaves secretas num ambiente ótico exigente.

Porque é que a luz ambiente constitui um obstáculo sério

A comunicação quântica utiliza sinais óticos extremamente fracos. O equipamento de telecomunicações convencional transporta sinais muito mais fortes, que podem gerar luz adicional através de efeitos não lineares na fibra. Essa luz indesejada pode contribuir para eventos de deteção que não correspondem à informação quântica pretendida.

O problema que daí resulta vai além de uma ligação com ruído. Se os dados de medição contiverem demasiados erros ou correlações úteis insuficientes, os participantes poderão não conseguir extrair uma chave segura. Assim, um sistema pode funcionar por via ótica sem produzir material secreto utilizável.

As ligações em espaço livre enfrentam um desafio semelhante, mas de outra origem. As ligações por satélite e plataformas como drones podem encontrar luz ambiente intensa, incluindo a luz solar. A investigação identifica estes ambientes como motivos para aumentar a tolerância ao ruído, embora a experiência de coexistência comunicada, de 150 quilómetros, tenha utilizado fibra ótica.

A filtragem ajuda a rejeitar a luz indesejada, mas tem limites. Os filtros também podem eliminar sinais úteis e aumentar a complexidade do equipamento. A abordagem da equipa enfrenta o problema tanto ao nível físico como ao do processamento de dados, combinando deteção de baixo ruído com um método destinado a extrair chaves secretas de registos de medição mais ruidosos.

Como a destilação de vantagem altera o cálculo

A destilação de vantagem processa dados brutos das chaves em grupos, para melhorar as correlações que podem ser usadas na geração de chaves secretas. Os dados brutos são os registos iniciais produzidos antes de os participantes concluírem as verificações e o processamento necessários para estabelecer uma chave secreta utilizável.

O princípio é o processamento seletivo. Em vez de tratar todos os elementos da chave bruta como igualmente úteis, o método usa as relações existentes dentro dos grupos para reter os dados mais adequados à produção de uma chave secreta. Não torna inofensivo qualquer ruído, mas pode alargar as condições em que é possível recuperar um segredo útil.

Os investigadores desenvolveram, para o seu sistema, um tratamento da destilação de vantagem com comprimento de chave finito. Isto aborda uma distinção prática importante: as experiências recolhem uma quantidade limitada de dados, enquanto os cálculos idealizados podem pressupor conjuntos de dados arbitrariamente grandes. A segurança e o desempenho têm de ter em conta a incerteza estatística associada a uma recolha finita.

A primazia reivindicada consiste na implementação prática de MDI QKD baseada na destilação de vantagem, sustentada por este trabalho teórico e pelo equipamento experimental. Não se afirma que a destilação de vantagem tenha sido inventada neste estudo.

O equipamento é importante porque o processamento de dados não substitui a necessidade de medições utilizáveis. A codificação paralela rápida fornece sinais quânticos a alta velocidade, enquanto os detetores compactos de fotão único de semicondutores permitem uma deteção de baixo ruído sem o equipamento de deteção volumoso e intensivo em recursos referido no artigo.

O que mostram realmente os valores de desempenho

O limiar de ruído de 425 quilohertz do sistema corresponde a 425 000 contagens de ruído por segundo. O artigo relata que é possível continuar a gerar chaves seguras com essa carga de ruído. Trata-se de uma taxa de contagem de deteções, não de uma medida da potência ótica nem da velocidade a que as mensagens podem ser cifradas.

Quatro ordens de grandeza correspondem a um fator de 10 000. A comparação do estudo descreve, portanto, um aumento muito expressivo da tolerância ao ruído em relação aos sistemas isolados usados como referência. Não deve ser interpretada como uma relação de desempenho universal face a todas as instalações de QKD existentes.

A melhoria comunicada na capacidade de geração de chaves seguras é de duas ordens de grandeza, ou seja, um fator de 100. Trata-se de um resultado distinto do aumento de 10 000 vezes na tolerância ao ruído. Um diz respeito à capacidade de produzir chaves seguras; o outro, à quantidade de ruído que o sistema consegue suportar.

A 2,5 gigahertz, o sistema funciona a 2,5 mil milhões de repetições por segundo. A saída final de chaves seguras é muito inferior, porque as perdas óticas, os eventos de medição bem-sucedidos e o processamento de segurança determinam quanta informação secreta utilizável subsiste. O artigo refere uma saída ao nível dos quilobits por segundo com 30 decibéis de atenuação, sem indicar uma taxa exata no resumo.

Trinta decibéis de perda e 150 quilómetros de fibra partilhada

Uma atenuação do canal de 30 decibéis significa que a potência ótica é reduzida por um fator de 1 000, restando um milésimo da potência de entrada após a perda indicada. Gerar chaves seguras ao nível dos quilobits por segundo nestas condições demonstra que o sistema funciona apesar de uma perda substancial de sinal.

A demonstração separada de coexistência ligou o sistema quântico a equipamento de comunicações óticas existente, fornecido pela China Unicom. A distribuição quântica de chaves e as comunicações óticas convencionais foram transmitidas pela mesma fibra ao longo de 150 quilómetros, uma distância relevante para ligações entre cidades.

A partilha da fibra é um teste prático, porque uma rede quântica nem sempre pode depender de uma rota ótica reservada exclusivamente a sinais quânticos fracos. A coexistência põe o sistema em contacto com o equipamento e a luz mais forte associados às comunicações convencionais.

O resumo publicado e as descrições da experiência confirmam o limiar de ruído, a taxa de chaves com atenuação e a distância percorrida em fibra partilhada. Não demonstram que a carga máxima de ruído, o valor de referência da atenuação e a transmissão de 150 quilómetros tenham ocorrido simultaneamente, nas mesmas condições de funcionamento. Tratá-los como resultados de referência separados evita exagerar o alcance da demonstração.

Datas de publicação e limites da afirmação sobre a implementação

A investigação foi publicada na Physical Review Letters antes de um relato posterior da colaboração e da experiência com a China Unicom. A sequência de publicação foi a seguinte:

• 30 de setembro de 2026: O artigo foi publicado na Physical Review Letters, relatando o sistema de 2,5 gigahertz, a tolerância ao ruído de 425 quilohertz e a geração de chaves seguras com 30 decibéis de atenuação.
• 9 de outubro de 2026: Um relato posterior descreveu as instituições participantes e a demonstração de 150 quilómetros em fibra partilhada com equipamento da China Unicom.

A combinação de deteção compacta, elevada velocidade de funcionamento, tolerância ao ruído ambiente e transmissão em fibra partilhada responde, em simultâneo, a vários requisitos práticos. O artigo académico apresenta o sistema como uma solução para implementar redes quânticas seguras com segurança robusta, produção útil de chaves e resistência ao ruído ambiental.

Essa conclusão é mais abrangente do que a prova de um serviço comercial regular. Os dados comunicados não indicam custos do equipamento, duração de funcionamento contínuo, requisitos de manutenção ou calendário de implementação da rede. Também não demonstram uma ligação por satélite ou drone. Estes ambientes motivam o trabalho, mas o resultado concreto de coexistência em rede diz respeito à fibra.

O que muda para a comunicação quântica prática

A ligação mais relevante entre os resultados é o facto de a tolerância ao ruído e a compatibilidade com a infraestrutura existente terem sido abordadas no mesmo programa de investigação. Um sistema rápido confinado a um ambiente isolado resolve um problema diferente de um sistema capaz de partilhar fibra com equipamento de comunicações convencional.

O estudo também mostra por que razão a frequência de funcionamento, por si só, é uma medida incompleta do progresso. O valor prático depende de essa velocidade se traduzir em chaves seguras depois de consideradas as perdas, as deteções indesejadas e o processamento de dados finitos. O método de destilação de vantagem ajuda a ligar o funcionamento rápido do equipamento a uma produção útil em condições de ruído.

O teste de 150 quilómetros fornece um exemplo concreto da relevância potencial destes avanços: comunicações entre cidades com recurso a infraestrutura ótica partilhada. Uma avaliação da prontidão para implementação teria de considerar os dados de funcionamento que estes resultados não incluem, nomeadamente o desempenho sustentado e os custos. Não é indicada qualquer data-limite para a implementação ou para novos testes.

Principais pontos

• A Universidade de Ciência e Tecnologia da China e os seus parceiros demonstraram MDI QKD com destilação de vantagem e detetores compactos de semicondutores.
• O sistema funciona a 2,5 gigahertz e gera chaves seguras com contagens de ruído de 425 quilohertz.
• A tolerância ao ruído aumentou, segundo os dados comunicados, quatro ordens de grandeza, o equivalente a um fator de 10 000 face aos sistemas de referência indicados.
• O artigo refere uma taxa de chaves seguras ao nível dos quilobits por segundo com 30 decibéis de atenuação do canal.
• Uma demonstração separada utilizou equipamento de comunicações óticas da China Unicom para transmitir em fibra partilhada ao longo de 150 quilómetros.
• Os resultados não demonstram funcionamento comercial regular, um calendário de implementação ou uma ligação por satélite.