Sachverhalt:
A. Gemäss den Anklageschriften der Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat vom 19. Mai 2009 teilte X._ Z._ auf dessen Anfrage mit, dass er Heroin zur Verfügung habe. Er traf diesen sowie "Roberto" am 9. März 2009 in Zürich. Zusammen fuhren sie nach Wil/SG und trafen dort Y._, welcher "Roberto" 500 Gramm Heroin zeigte. "Roberto" entnahm davon ein Muster. X._ wies daraufhin Y._ an, am 10. März 2009 von Wil aus ein Kilogramm Heroingemisch zu Z._ und "Roberto" nach Zürich zu bringen und den vereinbarten Kaufpreis von Fr. 33'000.-- entgegenzunehmen.
B. Das Bezirksgericht Zürich sprach X._ sowie Y._ erstinstanzlich im Hauptanklagepunkt des Verbrechens gegen das Betäubungsmittelgesetz schuldig. Es bestrafte X._ mit einer Freiheitsstrafe von 5 1/2 Jahren (als Gesamtstrafe aufgrund des Widerrufs einer bedingten Entlassung) sowie mit einer Busse von Fr. 500.--. Y._ verurteilte es zu einer teilbedingt vollziehbaren Freiheitsstrafe von 30 Monaten. Dagegen erhoben X._ und Y._ Berufung an das Obergericht des Kantons Zürich. Dieses reduzierte am 28. Januar 2011 die Freiheitsstrafen aufgrund langer Verfahrensdauer auf 4 3/4 Jahre bzw. auf 27 Monate. Im Übrigen bestätigte es die erstinstanzlichen Urteile.
C. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen (6B_146/2011), das Urteil des Obergerichts sei aufzuheben und die Sache an die Vorinstanz zurückzuweisen. Eventualiter sei er von den Vorwürfen freizusprechen, und es sei vom Widerruf der mit Entscheid des Justizvollzugs des Kantons Basel Stadt vom 23. Januar 2008 verfügten bedingten Entlassung abzusehen. Ebenfalls im Eventualfall sei ihm für die ungerechtfertigte Haft eine angemessene Genugtuung zuzusprechen sowie das sichergestellte Bargeld von Fr. 1'944.10 und die vier sichergestellten Mobiltelefone seien freizugeben. Er sei umgehend aus dem vorzeitigen Strafvollzug zu entlassen. Zudem ersucht X._ um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Das Obergericht sowie die Oberstaatsanwaltschaft verzichten auf Vernehmlassung.
D. Y._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen (6B_152/2011), das Urteil des Obergerichts sei aufzuheben, und er sei vollumfänglich freizusprechen. Die sichergestellten Fr. 9'170.-- seien ihm herauszugeben. Für die erlittene Haft sei ihm Schadenersatz von Fr. 36'000.-- sowie eine Genugtuung von Fr. 45'000.-- zuzusprechen. Zudem sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung zu gewähren.
Das Obergericht sowie die Oberstaatsanwaltschaft verzichten auf Vernehmlassung.
Erwägungen:
1. X._ und Y._ wurden als Mittäter verurteilt. Ihre Beschwerden beziehen sich im Hauptanklagepunkt auf denselben Sachverhalt. Unter diesen Umständen rechtfertigt es sich, die beiden Verfahren (6B_146/2011 und 6B_152/2011) zu vereinigen und die Beschwerden in einem einzigen Entscheid zu beurteilen.
Seit dem 1. Januar 2011 ist die Schweizerische Strafprozessordnung (StPO; SR 312.0) in Kraft. Ist ein Entscheid noch vor Inkrafttreten der StPO gefällt worden, so werden dagegen erhobene Rechtsmittel nach bisherigem Recht und von den bisher zuständigen Behörden beurteilt (Art. 453 Abs. 1 StPO; BGE 137 IV 219 E. 1.1 S. 221). Für die vorliegenden Beschwerden ist demnach das bisherige Recht, namentlich das Bundesgesetz vom 20. Juni 2003 über die verdeckte Ermittlung (aBVE; AS 2004 1409), anwendbar.
2. Das vorliegende Strafverfahren wurde eröffnet, nachdem die Stadtpolizei Zürich am 4. März 2009 von einer österreichischen Polizeidienststelle die Information erhalten hatte, dass ein unbekannter Iraker in Linz einer "vertraulichen Quelle" angeboten habe, in Zürich bei einem gewissen "Z._" Heroin in einer Menge bis zu zehn Kilogramm beziehen zu können. Im Verlauf der Untersuchung stellte sich heraus, dass es sich bei der "vertraulichen Quelle" um einen von den österreichischen Polizeibehörden eingesetzten verdeckten Ermittler namens "Mario" handelte (angefochtene Urteile E. II. 2.). Die Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat stellte am 9. März 2009 "in Sachen gegen Unbekannt, genannt Z._, allenfalls identisch mit Z._ betreffend qualifizierte Widerhandlung gegen das BetmG" ein Gesuch um Genehmigung einer verdeckten Ermittlung (kantonale Akten pag. 7/3). Der als verdeckter Ermittler ernannte "Roberto" wurde gleichentags über seinen Einsatz instruiert und nahm sofort Kontakt mit Z._ auf. Die beiden vereinbarten, sich am 10. März 2009 mit Y._ zwecks Übergabe des Heroingemisches zu treffen. Z._, Y._ und X._ wurden kurz nach der Übergabe des Heroins an "Roberto" auf einem Parkplatz beim Albisriederplatz in Zürich verhaftet. Gegen die verhafteten Personen bestand ein dringender Tatverdacht des Verbrechens gegen das Betäubungsmittelgesetz. Y._ und X._ waren anlässlich der polizeilichen Einvernahmen vom 11. März 2009 grundsätzlich geständig. X._ gab an, lediglich als Vermittler zwischen Y._ und Z._ gearbeitet zu haben. Der beobachtete Ablauf der Heroinübergabe liess jedoch keine Zweifel daran, dass er der wahre Organisator/Chef der Übergabe war. Die Aussage von Z._, wonach X._ Besitzer des sichergestellten Heroins sei, stützte diese Erkenntnisse. Weiter wurden anlässlich der Hausdurchsuchung am Wohnort von Y._ grosse Mengen an Streckmittel und unzählige Utensilien, welche zum Strecken und Mischen von Heroin benötigt werden, sichergestellt. Dies bestätigte seine Rolle, im Auftrag von X._ Heroin gelagert, verarbeitet und transportiert zu haben (s. Rapport der Stadtpolizei Zürich vom 11. März 2009 S. 10 ff., kantonale Akten pag. 1). Die Staatsanwaltschaft stellte am 12. März 2009 ein Gesuch um Genehmigung der Verwendung eines Zufallsfundes in einer verdeckten Ermittlung. Sie legte dar, dass die verdeckte Ermittlung auch gegen die beiden neu ins Verfahren aufgenommenen Angeschuldigten, Y._ und X._, hätte angeordnet werden können (kantonale Akten pag. 7/8; vgl. Art. 21 Abs. 3 aBVE).
3. X._ und Y._ bringen vor, der Einsatz der beiden verdeckten Ermittler sei unrechtmässig erfolgt. Deshalb seien sämtliche daraus resultierenden Beweismittel unverwertbar.
3.1 Der österreichische Polizeibeamte "Mario" erhielt gemäss seinem Amtsbericht am 3. März 2009 im Zuge von verdeckten Ermittlungen in einschlägigen Lokalen in Linz Kontakt zu einem unbekannten Mann, angeblich irakischer Staatsangehöriger. Dieser gab an, gute Kontakte zu einem Landsmann in Zürich zu haben, der über grössere Mengen Heroin und Kokain verfüge. "Mario" zeigte Interesse an der Vermittlung dieses Kontaktes, allerdings zu einem späteren Zeitpunkt. Daraufhin rief der Iraker seinen Freund in der Schweiz an und übergab "Mario" das Telefon. Der Freund teilte diesem mit, über Drogen zu verfügen. "Mario" zeigte Interesse und gab an, sich nächste Woche wieder zu melden. Um 21.08 Uhr sowie um 00.10 Uhr erhielt er zwei Anrufe von der Nummer 0041 Nr._, welche er nicht entgegennahm. Am 4. März 2009 rief "Mario" auf Ersuchen des Irakers dessen Freund unter der Nummer 0041 Nr._ an. Es meldete sich ein Mann namens Z._, der Druck machte, dass "Mario" so schnell wie möglich nach Zürich kommen solle, da er momentan über genügend hochprozentige Ware verfüge. "Mario" gab an, wenig Zeit zu haben, worauf Z._ meinte, er könne auch einen Freund schicken. Am 6. März 2009 rief Z._ "Mario" an und drängte ihn zu einem Treffen. "Mario" teilte ihm mit, dass er am Wochenende einen Freund kontaktieren werde, der vermutlich nach Zürich kommen werde. Er rief am 8. März 2009 Z._ an und informierte ihn, dass sein Freund "Roberto" zu ihm kommen werde (angefochtene Urteile E. II.3.).
3.2 Die Vorinstanz erwägt, es stelle sich die Frage, ob das Verhalten des österreichischen Polizeibeamten "Mario" unter den Anwendungsbereich des aBVE falle. Dafür sei entscheidend, wie der Kontakt zwischen Z._ und "Mario" zustande gekommen sei. Z._ habe anerkannt, dass er zuerst "Mario" angerufen habe. Er habe konstant ausgesagt, dass es sich beim Iraker um seinen Bruder handle. Aufgrund der übereinstimmenden Darstellungen von Z._ und "Mario" sei davon auszugehen, dass der Bruder von Z._ den ersten Kontakt zwischen den beiden hergestellt habe. In der Folge habe Z._ mit Hilfe seines Bruders wiederholt den Kontakt zu "Mario" gesucht, aktiv und zielgerichtet gehandelt und auf den Abschluss des Heroingeschäftes gedrängt. "Mario" habe sich demgegenüber eher passiv und abwartend verhalten, auch wenn er sein grundsätzliches Kaufinteresse und seine Bereitschaft zur Bezahlung eines marktgerechten Preises kundgetan habe. Sein Verhalten könne aber noch nicht als "aktiv und zielgerichtet" im Sinne der bundesgerichtlichen Rechtsprechung umschrieben werden, weshalb das Verhalten nicht unter den Anwendungsbereich des aBVE falle. Eine richterliche Genehmigung der Ernennung und des Einsatzes von "Mario" sei somit nicht erforderlich gewesen (angefochtene Urteile E. II.3.).
Weiter sei in Abweichung zu der in BGE 134 IV 266 vertretenen Auffassung von einer zulässigen nachträglichen Genehmigung der Ernennung von "Roberto" als verdeckten Ermittler auszugehen. Dem Wortlaut von Art. 8 aBVE lasse sich nicht entnehmen, dass eine nachträgliche Genehmigung der Ernennung nach der Anordnung des Einsatzes nicht zulässig sei. Ernennungen von verdeckten Ermittlern seien denn auch nur im Zusammenhang mit einem konkreten Einsatz und nicht "auf Vorrat" möglich. Gerade bei zeitlicher Dringlichkeit, wie vorliegend, sei nicht ersichtlich, weshalb nur der konkrete Einsatz und nicht auch die Ernennung nachträglich genehmigt werden könne. Heikel sei nicht die Ernennung des verdeckten Ermittlers an sich, sondern dessen Einsatz im Vorfeld eines bestimmten Strafverfahrens. So bedürfe gemäss Art. 289 StPO nur noch der Einsatz des verdeckten Ermittlers, nicht aber dessen Ernennung, einer richterlichen Genehmigung (angefochtene Urteile E. II. 7.).
Zusammengefasst stünde der formellen Verwertbarkeit der Geständnisse der Beschwerdeführer nichts entgegen. Die Geständnisse deckten sich mit den Untersuchungsergebnissen, weshalb darauf abzustellen sei (angefochtene Urteile E. II. 8.).
3.3 X._ bringt vor, das Verhalten von "Mario" falle unter den Anwendungsbereich des aBVE. Entscheidend sei nicht nur, wer beim Knüpfen des Kontaktes zwischen dem verdeckten Ermittler und der Zielperson den "ersten Schritt" vornehme. Massgeblich sei vielmehr, wie aktiv und intensiv eine falsche Identität des verdeckten Ermittlers vorgegaukelt werde. Vorliegend habe zwar Z._ den ersten Kontakt geknüpft. "Mario" habe jedoch anschliessend über mehrere Tage den Kontakt aufrechterhalten und sein Interesse am Kauf grösserer Mengen Betäubungsmittel vorgetäuscht. Zudem habe er bereits vorgängig mit dem Bruder von Z._ ein "intensives" Gespräch über Drogengeschäfte geführt und diesem seine Mobiltelefonnummer angegeben. Am 8. März 2009 habe er von sich aus Z._ angerufen und ihm mitgeteilt, dass ein Freund am nächsten Tag nach Zürich kommen werde. "Mario" habe sich sehr wohl aktiv und zielgerichtet verhalten und die Vertrauensbasis für die Begegnung zwischen Z._ und "Roberto" geschaffen. Er habe den Einsatz von "Roberto" und damit die Überführung von Z._ und dessen Mittätern ermöglicht. Weiter reiche es nicht aus, dass die Ernennung von "Roberto" zum verdeckten Ermittler erst nach dessen Einsatz rückwirkend genehmigt worden sei. Das aBVE sei im Zweifelsfalle zu Gunsten der Freiheitsrechte zu interpretieren. Somit seien alle aus dem Einsatz von "Roberto" resultierenden Erkenntnisse (Geständnis, Hausdurchsuchungen, Beschlagnahmungen usw.) unverwertbar.
3.4 Y._ macht geltend, sämtliche durch den Einsatz von "Mario" gewonnenen Beweismittel seien unverwertbar. Dieser habe sich schon "aktiv und zielgerichtet" verhalten, indem er dem Iraker seine Telefonnummer gegeben und gegenüber Z._ sein Interesse am Betäubungsmittelgeschäft geäussert habe. Danach sei es zu weiteren Kontakten mit Z._ gekommen, die zweimal von "Mario" ausgegangen seien. Dieser habe mit Z._ bereits über Art, Menge und Preis der Drogen verhandelt und den Einsatz von "Roberto" in Zürich gezielt vorbereitet. Ohne das Zutun von "Mario" hätte sich "Roberto" zunächst das Vertrauen von Z._ erarbeiten müssen. Weiter sei "Roberto" im Strafverfahren eingesetzt worden, bevor seine Ernennung zum verdeckten Ermittler richterlich genehmigt sei. Aus den vorinstanzlichen Erwägungen gehe nicht hervor, weshalb der korrekte zeitliche Ablauf nicht hätte eingehalten werden können.
4. Strittig ist, ob der Einsatz des österreichischen Polizeibeamten "Mario" als verdeckte Ermittlung im Sinne des aBVE zu qualifizieren ist.
4.1 Gemäss Art. 1 aBVE hat die verdeckte Ermittlung nach diesem Gesetz zum Zweck, mit Angehörigen der Polizei, die nicht als solche erkennbar sind, in das kriminelle Umfeld einzudringen und damit beizutragen, besonders schwere Straftaten aufzuklären. Eine verdeckte Ermittlung kann gemäss Art. 4 Abs. 1 aBVE angeordnet werden, wenn (a) bestimmte Tatsachen den Verdacht begründen, besonders schwere Straftaten seien begangen worden oder sollten voraussichtlich begangen werden und (b) andere Untersuchungshandlungen erfolglos geblieben sind oder die Ermittlungen sonst aussichtslos wären oder unverhältnismässig erschwert würden. Gemäss Art. 5 Abs. 1 aBVE ("Ernennung") kann der Kommandant eines Polizeikorps mit gerichtspolizeilichen Aufgaben eine Person mit deren Zustimmung zum Ermittler ernennen, wenn strafbare Handlungen nach Art. 4 abzuklären sind. Für die Ernennung von Ermittlern ist eine richterliche Genehmigung notwendig (Art. 7 Abs. 1 aBVE).
4.2 Das Bundesgericht hat sich in BGE 134 IV 266 einlässlich mit dem Anwendungsbereich des Bundesgesetzes über die verdeckte Ermittlung (aBVE) befasst. Es hat erkannt, mangels einer klaren, abweichenden Regelung im Gesetz sei im Zweifelsfall jedes Anknüpfen von Kontakten mit einer verdächtigen Person zu Ermittlungszwecken durch einen nicht als solchen erkennbaren Polizeiangehörigen ungeachtet des Täuschungsaufwandes und der Eingriffsintensität eine verdeckte Ermittlung im Sinne des aBVE, die unter den Anwendungsbereich dieses Gesetzes falle. Damit sei ein solches Anknüpfen von Kontakten nur unter den im aBVE genannten Voraussetzungen zulässig (E. 3.7 S. 277).
Das Bundesgericht hat an seiner Rechtsprechung trotz der in einem Teil der Lehre dagegen geäusserten Kritik festgehalten. Es hat klargestellt, dass auch einfache, isolierte Betäubungsmittelscheinkäufe zwischen nicht als solchen erkennbaren Polizeiangehörigen und Zielpersonen als verdeckte Ermittlungen im Sinne des aBVE zu würdigen seien. Allerdings stelle nicht jedes kurze Gespräch eines nicht als solchen erkennbaren Polizeiangehörigen mit einem Verdächtigen oder mit einer zum Umfeld des Verdächtigen gehörenden Person zu Ermittlungszwecken eo ipso und ungeachtet der konkreten Umstände eine verdeckte Ermittlung im Sinne des aBVE dar. Wesentliches Kriterium sei das "Anknüpfen von Kontakten". Dieses enthalte das Element eines aktiven, zielgerichteten Verhaltens (Urteile 6B_141/2010 vom 23. August 2011 E. 2.2; 6B_207/2010 vom 22. April 2010 E. 3.2; 6B_743/2009 vom 8. März 2010 E. 3.1 und E. 3.3; 6B_837/2009 vom 8. März 2010 E. 3.2 und E. 3.4).
4.3 Im Lichte dieser Rechtsprechung verletzt die Vorinstanz kein Bundesrecht, indem sie den Einsatz des österreichischen Polizeibeamten "Mario" nicht als verdeckte Ermittlung im Sinne des aBVE qualifiziert. Dessen Ernennung zum verdeckten Ermittler bzw. dessen Einsatz war nach dem österreichischen Recht zulässig (s. angefochtene Urteile E. II. 4.). "Mario" war für die österreichischen Behörden tätig, als ihm der Bruder von Z._ die Vermittlung eines Kontaktes zwecks Handels grösserer Mengen von Heroin und Kokain vorschlug. "Mario" zeigte Interesse an der Vermittlung des Kontaktes zu einem späteren Zeitpunkt. Auch gegenüber Z._ zeigte er zwar grundsätzliches Interesse am Kauf grösserer Mengen von Betäubungsmitteln, jedoch erst zu einem späteren Zeitpunkt. So nahm er zunächst die Anrufe von Z._ nicht entgegen und gab anschliessend vor, wenig Zeit zu haben. Auch wenn er Z._ auf Ersuchen dessen Bruders zurückrief, verhielt er sich überwiegend passiv. Denn einerseits war es Z._, welcher ihn zuerst kontaktierte und auf den Abschluss des Geschäftes drängte. Andererseits war "Mario" im Rahmen von österreichischen Ermittlungen tätig, welche er nicht gefährden durfte. Angesichts der konkreten Umstände erscheint das Verhalten von "Mario" nicht als "aktiv" und "zielgerichtet", weshalb es nicht unter den Anwendungsbereich des aBVE fällt. Somit ist unerheblich, dass er von den schweizerischen Behörden weder zum verdeckten Ermittler ernannt noch sein Einsatz von diesen richterlich genehmigt worden ist. Sein Einsatz, welcher die Kontaktaufnahme von "Roberto" mit Z._ ermöglichte, erweist sich als zulässig.
5. Die Beschwerdeführer bringen weiter vor, die aus dem Einsatz von "Roberto" gewonnenen Erkenntnisse seien nicht verwertbar.
5.1 Nach Art. 14 lit. b aBVE können die zuständigen kantonalen Strafuntersuchungsbehörden den Einsatz von Ermittlern in einem Strafverfahren anordnen. Für den Einsatz von Ermittlern in einem Strafverfahren ist eine Genehmigung durch eine Behörde nach Artikel 8 Abs. 1 notwendig (Art. 17 Abs. 1 aBVE). Gemäss Art. 18 Abs. 1 aBVE reicht die anordnende Behörde innert 48 Stunden nach Anordnung des Einsatzes der Genehmigungsbehörde die Anordnungsverfügung sowie die Begründung und die für die Genehmigung wesentlichen Verfahrensakten ein. Die Genehmigungsbehörde entscheidet mit kurzer Begründung innert fünf Tagen seit der Anordnung (Abs. 2 Satz 1). Wird der Einsatz nicht genehmigt oder wurde keine Genehmigung eingeholt, so muss die anordnende Behörde den Einsatz beenden und die betreffenden Aufzeichnungen sofort aus den Verfahrensakten aussondern. Durch die verdeckte Ermittlung gewonnene Erkenntnisse dürfen weder für weitere Ermittlungen noch zum Nachteil einer beschuldigten Person verwendet werden (Abs. 5).
5.2 Das Verhalten von "Roberto" ist unbestrittenermassen als verdeckte Ermittlung im Sinne des aBVE zu qualifizieren. Dieser begann seinen Einsatz als verdeckter Ermittler am 9. März 2009. Am gleichen Tag stellte die Staatsanwaltschaft das Gesuch um Genehmigung der verdeckten Ermittlung. Die Anklagekammer des Obergerichts Zürich genehmigte am 12. März 2009 das Gesuch rückwirkend per 9. März 2009. Der Einsatz von "Roberto" wurde innert der gesetzlich vorgeschriebenen Frist nach dessen Anordnung und Beginn genehmigt (angefochtene Urteile E. II. 7.; vgl. Art. 18 aBVE). Umstritten ist jedoch, ob die Erkenntnisse aus seinem Einsatz verwertet werden dürfen, obschon die Ernennung zum verdeckten Ermittler erst nachträglich richterlich genehmigt wurde. Insbesondere wäre es ohne den Betäubungsmittelscheinkauf nicht zu den Geständnissen der Beschwerdeführer gekommen (vgl. E. 2 hiervor).
5.3 Während der Einsatz des verdeckten Ermittlers im Strafverfahren noch innert bestimmter Frist nach dessen Anordnung und Beginn richterlich genehmigt werden kann (vgl. Art. 18 aBVE), sieht das Gesetz eine nachträgliche richterliche Genehmigung der Ernennung des verdeckten Ermittlers nicht vor. Dies lässt sich ohne weiteres damit erklären, dass nach den Vorstellungen des Gesetzgebers ein Polizeiangehöriger einen Einsatz in Form einer verdeckten Ermittlung im Sinne des aBVE sowohl im Vorfeld eines Strafverfahrens als auch in einem Strafverfahren selbstverständlich erst durchführen darf, nachdem er gemäss Art. 5 aBVE zum verdeckten Ermittler ernannt und diese Ernennung gemäss Art. 7 f. aBVE vom Richter genehmigt worden ist. Solange die Ernennung nicht richterlich genehmigt wurde, ist der Polizeiangehörige nicht rechtsgültig zum verdeckten Ermittler bestellt und darf er daher keinen Einsatz in der Form einer verdeckten Ermittlung im Sinne des aBVE durchführen. Es kann nicht in Betracht kommen, dass Polizeiangehörige verdeckt ermitteln und erst nachträglich, nach dem Beginn eines solchen Einsatzes - unter Umständen gar nach Massgabe der dabei gewonnenen nützlichen Erkenntnisse - rechtsgültig mit richterlicher Genehmigung zu verdeckten Ermittlern ernannt werden. Für eine solche nachträgliche Ernennung beziehungsweise richterliche Genehmigung der Ernennung zum verdeckten Ermittler besteht auch kein Bedürfnis, da ein Polizeiangehöriger, solange er nicht zum verdeckten Ermittler ernannt und diese Ernennung nicht richterlich genehmigt wurde, gar nicht verdeckt ermitteln darf und daher auch nicht in eine Lage kommen sollte, in welcher er unverhofft und unerwartet einen Einsatz in der Form einer verdeckten Ermittlung im Sinne des aBVE leisten muss (BGE 134 IV 266 E. 4.4 S. 283 f.). Die Erkenntnisse, die ein Polizeiangehöriger durch einen als verdeckte Ermittlung im Sinne des aBVE zu qualifizierenden Einsatz gewinnt, sind nur verwertbar, wenn der Polizeiangehörige vorgängig seines Einsatzes zum verdeckten Ermittler ernannt und diese Ernennung vorgängig des Einsatzes richterlich genehmigt worden ist. Wenn diese Voraussetzungen nicht erfüllt sind, sind die gewonnenen Erkenntnisse nicht verwertbar (BGE 134 IV 266 E. 5.2 S. 287).
5.4 Die vorliegenden Verhältnisse unterscheiden sich von denjenigen, welche BGE 134 IV 266 zugrunde lagen. In jenem Entscheid stellte sich die Frage der Zulässigkeit einer verdeckten polizeilichen Beteiligung an der Kommunikation in einem Chatforum im Internet zwecks Aufklärung von Straftaten. Die Polizeibeamten, die sich am Chat im Vorfeld eines allfälligen Strafverfahrens beteiligten, waren allem Anschein nach nicht zu verdeckten Ermittlern ernannt worden. Jedenfalls fehlte es an der für die Ernennung notwendigen richterlichen Genehmigung (E. 4.2.2 S. 282). Das Bundesgericht erwog, die Erfahrungstatsache, dass in den speziell für Kinder und Jugendliche eingerichteten Chatrooms Erwachsene mit pädosexuellen Neigungen häufig sehr rasch nach dem Beginn des Chats ihr Interesse an einem Treffen im realen Leben zwecks Vornahme von sexuellen Handlungen erkennen liessen, genüge als Voraussetzung für die Anordnung einer verdeckten Ermittlung. Eine verdeckte Ermittlung könne daher schon vor dem Beginn eines konkreten Chats angeordnet werden (E. 4.3 S. 283; vgl. Art. 4 Abs. 1 lit. a aBVE). Vorliegend war demgegenüber das Strafverfahren bereits eröffnet, als "Roberto" als verdeckter Ermittler eingesetzt wurde. Die Staatsanwaltschaft stellte das Gesuch gleichzeitig mit dem Einsatz von "Roberto". Dessen Einsatz war in zeitlicher Hinsicht dringend, da "Mario" bereits mit Z._ den Betäubungsmittelhandel vorbereitet hatte und Letzterer auf den Abschluss des Geschäftes drängte. Ein Zuwarten auf die richterliche Genehmigung hätte den geplanten Handel scheitern lassen können. Dies hätte zu einem stossenden Resultat geführt, umso mehr, als die zuständige Behörde das Gesuch nachträglich rückwirkend genehmigte. In Anbetracht der besonderen konkreten Verhältnisse (Gesuch gleichzeitig mit dem Einsatz von "Roberto" eingereicht, zeitliche Dringlichkeit, Gesuch nachträglich rückwirkend genehmigt) sind die Erkenntnisse, welche aus dem Einsatz von "Roberto" gewonnen wurden, verwertbar. Die in BGE 134 IV 266 entwickelten Grundsätze sind insoweit zu präzisieren. Dabei ist zu beachten, dass sich das Beweisverwertungsverbot gemäss Art. 18 Abs. 5 Satz 1 aBVE auf Fälle beschränkt, in denen der Einsatz nicht genehmigt oder keine Genehmigung eingeholt wurde. Dies bestätigt, dass bei nachträglicher rückwirkender Genehmigung des Gesuchs der Einsatz des verdeckten Ermittlers bereits ab dem Zeitpunkt der Einreichung des Gesuchs möglich ist.
Die Vorinstanz verletzt kein Bundesrecht, indem sie die aus der verdeckten Ermittlung gewonnenen Erkenntnisse - unter anderem die Geständnisse der Beschwerdeführer - als verwertbar erachtet. Die Rügen erweisen sich als unbegründet.
6. Da es bei den Schuldsprüchen der Vorinstanz bleibt, erübrigt sich, die weiteren Anträge der Beschwerdeführer (Entlassung aus vorzeitigem Strafvollzug, Schadenersatz für erlittene Haft usw.) zu behandeln.
7. Die Beschwerde von X._ im Verfahren 6B_146/2011 sowie die Beschwerde von Y._ im Verfahren 6B_152/2011 sind abzuweisen. Bei diesem Ausgang werden die Beschwerdeführer grundsätzlich kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Sie beantragen indes die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. Ihre Begehren waren nicht aussichtslos, und ihre Bedürftigkeit ist ausgewiesen (Art. 64 Abs. 1 und 2 BGG), weshalb den Anträgen stattzugeben ist. Die Rechtsvertreter sind aus der Bundesgerichtskasse zu entschädigen (Art. 64 Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Verfahren 6B_146/2011 und 6B_152/2011 werden vereinigt.
2. Die Beschwerde von X._ im Verfahren 6B_146/2011 wird abgewiesen.
3. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung von X._ wird gutgeheissen. Für das bundesgerichtliche Verfahren wird ihm Rechtsanwalt Andreas Josephsohn als unentgeltlicher Anwalt beigegeben.
4. Für das Verfahren 6B_146/2011 werden keine Gerichtskosten erhoben.
5. Dem Rechtsvertreter von X._ wird eine Entschädigung von Fr. 3'000.-- aus der Bundesgerichtskasse ausgerichtet.
6. Die Beschwerde von Y._ im Verfahren 6B_152/2011 wird abgewiesen.
7. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung von Y._ wird gutgeheissen. Für das bundesgerichtliche Verfahren wird ihm Rechtsanwalt Valentin Isler als unentgeltlicher Anwalt beigegeben.
8. Für das Verfahren 6B_152/2011 werden keine Gerichtskosten erhoben.
9. Dem Rechtsvertreter von Y._ wird eine Entschädigung von Fr. 3'000.-- aus der Bundesgerichtskasse ausgerichtet.
10. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 22. Dezember 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Binz