Como vimos, a teoria por trás dos protocolos de comunicação e distribuição de chaves quânticas se baseia em idéias simples e diretas. Porém, uma das principais limitações em sua aplicação se deve ao nosso atual nível de domínio tecnológico sobre as partículas e fenômenos quânticos em geral. Listamos e explicamos algumas das tecnologias já existentes que poderiam ser utilizadas para a construção prática deste tipo de rede. Muitas delas estão presentes também nos computadores quânticos e em avançados equipamentos de laboratório utilizados para pesquisa física, como aceleradores de partículas. É possível que, nos próximos anos, estes equipamentos saiam dos laboratórios e possam ser produzidos comercialmente.
Uma das técnicas é a construção de lasers fortemente atenuados. Estes lasers, geralmente na forma de diodos, são feitos de nano cristais semicondutores e graças à sua alta dopagem, podem emitir apenas um fóton quando são eletricamente excitados. Não são muito precisos, uma vez que suas propriedades de spin são, na maioria das vezes, aleatórias e não há garantia de que apenas um fóton será liberado em todas as emissões. Isto se torna crítico no caso de vários fótons serem enviados juntos com a mesma polaridade se um espião se infiltrar na rede. Ele pode capturar os outros fótons que foram emitidos juntos com o fóton que chegou até Bob e ler toda a informação transmitida.
Recentemente, há um grande esforço por vários laboratórios ao redor do mundo em produzir fontes de fótons individuais mais estáveis e confiáveis. Físicos das universidades alemãs Wurtzburgo, Munique e Sttutgart usaram materiais semicondutores em conjunto com micro ressonadores para criar uma fonte confiável que emite apenas um fóton para cada pulso elétrico nela aplicado. Na Universidade da Califórnia, nos EUA, uma equipe de pesquisa dirigida pelo professor Dirk Bouwmeester utilizou um dispositivo semicondutor funcionando em alta freqüência para produzir fótons individuais. A equipe utilizou uma “caixa-quântica” com um design diferenciado para concentrar melhor a energia luminosa. Além disso, provou que é possível obter mudanças na polarização dos fótons produzidos colocando um contato elétrico na abertura da caixa, o que é essencial para aplicações em criptografia e computação. A experiência foi feita a baixíssimas temperaturas, o que por enquanto inviabiliza sua produção comercial.
Também é interessante que tais fontes sejam capazes de produzir fótons emaranhados. Isto é conseguido utilizando fontes capazes de confinar fótons de maneira controlada. Sob estas condições especiais, estas partículas adquirem a tão desejada interdependência entre algumas de suas propriedades.
Para a transmissão dos fótons, canais de fibra ótica são necessários. As fibras óticas são cabos formados por materiais poliméricos ou vidros: um núcleo de índice de refração maior e uma casca que reveste o núcleo e possui índice de refração menor. Esta diferença nas propriedades óticas dos dois materiais possibilita o fenômeno da reflexão total: a luz que viaja no núcleo é refletida de volta para o seu interior quando incide na interface entre os dois materiais. Assim, pode-se transmitir pulsos de luz a longas distâncias com um número mínimo de perdas.
Hoje, as fibras óticas são produzidas com um número mínimo de impurezas em sua composição, o que possibilita perdas baixíssimas de potência luminosa. Ainda assim, para transmissão em grandes distâncias, repetidores óticos se tornam necessários para compensar as perdas de energia sofridas pela onda luminosa.
Uma das grandes vantagens da tecnologia de fibra ótica é sua imunidade à interferência eletromagnética. Isto é muito desejável em sistemas de criptografia quântica, que precisam ser imunes ao ruído. Infelizmente, porém, o atual nível de impureza das fibras produzidas pode interferir na polaridade dos fótons enviados. Isto limita seriamente a aplicação da criptografia quântica a grandes distâncias.
Detectores quânticos se baseiam no efeito fotoelétrico. São capazes de responder à taxa de fótons incidentes, condição imprescindível para o uso em sistemas criptográficos quânticos. Uma fotocélula é um elemento sensor que é capaz de emitir um elétron livre quando um fóton incide sobre sua superfície. Se a emissão deste elétron desencadear mais emissões de outros elétrons no material, o dispositivo recebe o nome de fotomultiplicador. Sensores deste tipo têm alta sensibilidade quando o comprimento de onda incidente é menor que 550nm, podendo inclusive medir fótons individualmente.
Existem também fotocondutores, que são materiais cuja incidência de luz modifica sua condutividade. Nestes materiais, a incidência do fóton não é o suficiente para levar o elétron à banda de condução.
Por último, existem os detectores fotovoltaicos. O mais usado é o fotodiodo, que é uma junção PN reversamente polarizada. Quando diretamente polarizado, há uma diminuição na barreira de potencial da junção e uma corrente alta circula. Se reversamente polarizado, a barreira de potencial da junção aumenta e apenas pequenas correntes de fuga circulam. Construindo a junção bem próxima da superfície sensora, podemos maximizar a geração de elétrons livres na junção devido à incidência de fótons na mesma, diminuindo a região de depleção e aumentando a magnitude da corrente de fuga.
Recentemente, um estudo realizado pelo grupo do Dr. Leonid Krivitsky na Agência para Ciências, Tecnologia e Pesquisa, em Cingapura, fez um experimento utilizando feixes de laser incidindo sobre uma estrutura fotorreceptora extraída do olho da rã africana Xenopus Laevis. O grupo constatou que as moléculas de um pigmento presente na superfície externa da estrutura reagem individualmente a cada fóton. Isto sugere que futuramente a biologia possa fornecer soluções que auxiliem na produção de fotodetectores sensíveis o suficiente para serem aplicáveis em redes quânticas.
Repetidores ou amplificadores óticos convencionais são dispositivos capazes de elevar a amplitude de um sinal ótico sem realizar a conversão deste para um sinal elétrico e depois de volta para um sinal ótico. Como já explicado, são necessários devido às perdas sofridas pela onda eletromagnética ao viajar longas distâncias dentro da fibra.
Em uma rede de criptografia quântica, sempre trabalhamos com fótons individuais. Um repetidor quântico seria o análogo de um ótico, com uma diferença fundamental. Estes teriam de armazenar informações sobre os spins dos fótons que chegassem e reenviá-los com a mesma polaridade, conservando a informação intacta.
O problema está justamente em se desenvolver um tipo de memória puramente quântica. Cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia utilizaram nuvens de rubídio a temperaturas extremamente baixas para converter o comprimento de onda infravermelho de fótons individuais em comprimentos de onda ideais para transmissão em canais óticos [ref.8]. O processo inverso também foi obtido e a informação quântica pôde ser armazenada durante 100ms, um tempo 30 vezes maior do que em testes anteriores. De acordo com os pesquisadores, quando a meta de 1 segundo for alcançada, os repetidores serão capazes de armazenar a polaridade do fóton por tempo suficiente para reenviá-lo com maior energia.