A ideia de computação quântica pode ser muito parecida com a de entrar no mundo da série Homem-Formiga, da Marvel Studios, e explorar o nível quântico. Nos filmes, Scott Lang e sua equipe se aventuram em um espaço bizarro onde as regras usuais da física não se aplicam, revelando possibilidades incríveis, quase mágicas.
Assim como no nível quântico, a computação quântica desafia nossa compreensão de como o mundo funciona. Ao explorar os princípios da física quântica — como a superposição (a capacidade de bits quânticos ou qubits existirem em vários estados ao mesmo tempo) e o entrelaçamento (o processo de vincular qubits para que o estado de um reflita instantaneamente as mudanças em outro) — os computadores quânticos podem fazer coisas que parecem quase impossíveis.
Cientistas e pesquisadores estão começando a aproveitar o poder do nível quântico para construir computadores poderosos com a capacidade de quebrar os algoritmos de criptografia do mundo.
No entanto, antes de mergulharmos na computação quântica, precisamos entender a física quântica.
O que é a física quântica?
A física quântica, ou mecânica quântica, é o ramo da física que trata de como as coisas se comportam em escalas extremamente pequenas, como átomos e partículas subatômicas. Ao contrário da física convencional, em que as coisas são previsíveis e os cálculos são precisos, no mundo quântico, só podemos usar probabilidades para prever como as coisas se comportarão.
No mundo quântico, as partículas podem agir como unidades individuais e ondas simultaneamente, com seu estado mudando quando medido. Os computadores quânticos usam esses princípios, realizando cálculos com base nas probabilidades dos estados quânticos, aproveitando a superposição e o entrelaçamento antes que essas medições ocorram.
Na computação quântica, a superposição permite que um bit quântico — conhecido como qubit — exista como 0 e 1 ao mesmo tempo até ser medido, enquanto o entrelaçamento liga os qubits de modo que o conhecimento do estado de um revela o do outro, independentemente da distância. Os qubits permitem que os computadores quânticos resolvam problemas de maneiras que os computadores convencionais não conseguem.
“Há um domínio quântico em nosso computador em que as leis da física de Newton não se aplicam”, disse David Hayes, diretor de teoria e design computacional da Quantinuum, em uma entrevista ao Decrypt. “O truque é manter esse pequeno espaço isolado do resto do laboratório. Você não quer que essa pequena região interaja com o mundo exterior — essa é a única maneira de preservar seu estado quântico. Ela precisa estar completamente isolada”, explicou ele. “Esse é o nível quântico. Esse é o reino do Homem-Formiga.”
Lançada em novembro de 2021, a Quantinuum, sediada no Colorado, desenvolve soluções para segurança cibernética, descoberta de medicamentos, ciência dos materiais, finanças e processamento de linguagem natural.
Como Hayes explicou, os pesquisadores quânticos usam lasers e campos elétricos para alcançar o nível quântico.
“Em um computador convencional, você aplica tensões aos transistores”, disse ele. “Aqui, você aplica pulsos de laser que atingem os átomos e manipulam as informações dessa forma.”
A ideia da mecânica quântica pode ser rastreada até a pesquisa realizada em 1900 por Max Planck, considerado o pai da teoria quântica. Os computadores quânticos surgiram mais tarde, nas décadas de 1980 e 1970, quando Paul Benioff provou que era possível construir um computador que operasse de acordo com as leis da física quântica.
Em 1994, o professor de matemática aplicada do MIT, Peter Shor desenvolveu seu Algoritmo de fatoração, mais tarde conhecido como Algoritmo de Shor, que mostrou que um computador quântico poderia fatorar eficientemente números inteiros grandes, quebrando a criptografia RSA — uma pedra angular da criptografia moderna.
A descoberta de Shor, que continua sendo o padrão para a computação quântica, ressaltou o poder prático dos computadores quânticos e estimulou uma onda de investimentos e pesquisas em computação quântica, acelerando seu desenvolvimento nos próximos 30 anos.
O que é computação quântica?
Diferentemente dos supercomputadores, como o El Capitan do Lawrence Livermore National Laboratory, recentemente declarado o computador mais rápido do mundo e capaz de realizar 2.700 quatrilhões de operações por segundo, os computadores quânticos realizam cálculos explorando várias soluções possíveis simultaneamente. Isso é possível porque os qubits podem existir em uma superposição de estados, o que lhes permite lidar com vários cálculos ao mesmo tempo.
Hayes observou, entretanto, que em relação à velocidade real do relógio, o número de ciclos que a unidade central de processamento (CPU) de um computador pode realizar por segundo, os computadores quânticos não são “mais rápidos” do que os computadores convencionais.
“Embora as operações individuais possam ocorrer mais lentamente, é preciso fazer muito menos delas para resolver um problema, às vezes exponencialmente menos”, disse ele.
Como são feitos os computadores quânticos?
Os computadores tradicionais são compostos por milhões de minúsculos interruptores que gerenciam o fluxo de elétrons. Porém, à medida que reduzimos essas portas ao nível subatômico, a capacidade de controlar se a eletricidade flui ou não através de uma porta se torna como tentar controlar um formigueiro.
Por meio do tunelamento quântico, quando chegamos ao nível subatômico, os elétrons podem simplesmente pular o portão à vontade, tornando inútil a capacidade da máquina de gerenciar esse fluxo. Como resultado, os computadores quânticos são fabricados de forma muito diferente.
Diferentemente das portas lógicas tradicionais, que simplesmente processam sinais como 0s ou 1s, as portas quânticas executam uma série de tarefas complexas: elas preparam qubits, emaranham-os para estabelecer conexões quânticas, manipulam suas probabilidades por meio de operações precisas e, por fim, medem os resultados para extrair dados úteis. Isso permite que os computadores quânticos realizem cálculos complexos que estão além do alcance dos computadores convencionais.
De acordo com Hayes, os computadores quânticos, como os usados pela Quantinuum, deixam de controlar o fluxo de elétrons com portas e passam a gerenciar íons atômicos individuais. Esses íons são meticulosamente posicionados em uma câmara de vácuo mais silenciosa do que a maioria das regiões do espaço sideral.
“Uma câmara de vácuo tem uma pressão melhor do que a maioria das regiões do espaço sideral”, disse Hayes. “Esses íons atômicos individuais flutuam acima da superfície de um pequeno microchip dourado, cerca de 71 milionésimos de metro, 70 mícrons acima da superfície.”
O chip incrustado de ouro é mantido no lugar por tensões ajustadas com precisão aplicadas aos eletrodos no chip. Essa configuração garante que os íons não toquem a superfície, mas permaneçam perfeitamente posicionados para manipulação.
Os computadores quânticos dependem de pulsos de laser para controlar os íons, movendo-os entre a memória e as unidades do processador e facilitando as interações necessárias para a computação. Para ler as informações quânticas, um computador quântico aponta um laser para um íon; se ele estiver no estado “1”, ele dispersa a luz, que é detectada para revelar seu estado. A capacidade de gerenciar esses portões quânticos e íons é o que dá à computação quântica seu incrível potencial.
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Para quem está preocupado com a possibilidade de os íons escaparem do vácuo, Hayes explicou que, se as informações escaparem, o sistema começa a se comportar menos como um sistema quântico e mais como um sistema convencional.
“Portanto, é preciso correr contra o tempo e fazer esses cálculos com rapidez suficiente para que as informações não vazem para o resto do mundo até que você esteja pronto para isso”, disse ele. “Eventualmente, é preciso vazar a informação para que se obtenha uma resposta, mas você só quer que isso aconteça bem no final, ou você faz isso de uma forma muito controlada, em que você apenas extrai um pouco de informação de um átomo e, às vezes, isso pode ajudá-lo a fazer coisas como correção de erros.”
Para poder controlar esse processo, o Google, por exemplo, está usando um metal supercondutor especial que opera em temperaturas oito vezes mais frias do que o espaço, o que é muito diferente de um computador sentado em uma mesa. Como resultado, é improvável que os computadores quânticos deixem o laboratório tão cedo.
A ameaça quântica ao setor cripto
Uma das tarefas que o setor de blockchain teme que os computadores quânticos sejam utilizados é a de quebrar a criptografia que envolve redes como Bitcoin e Ethereum. Além das blockchains, a computação quântica também pode ameaçar a segurança do sistema financeiro global, de agências de inteligência ultrassecretas e de todos os dados em seu telefone.
Embora o supercomputador El Capitan seja incrivelmente rápido, os especialistas dizem que o supercomputador ainda levaria mais de 10 bilhões de anos para quebrar a criptografia do Bitcoin; um computador quântico, no entanto, aproveitando os qubits, poderia teoricamente fazer isso em menos de 10 minutos.
“Se você pegar a estrutura de blockchain de hoje e o computador quântico de daqui a 10 anos, poderá quebrar a criptografia resultante da criação de chaves privadas a partir de chaves públicas”, disse ao Decrypt o Dr. Erik Garcell, diretor de desenvolvimento empresarial quântico da Classiq. “A criptografia RSA, por exemplo, será definitivamente algo que a computação quântica conseguirá quebrar.”
A criptografia RSA, que recebeu o nome de seus criadores Ron Rivest, Adi Shamir e Leonard Adleman, é um método amplamente usado para proteger dados. Ela funciona usando uma chave pública para criptografar informações e uma chave privada para descriptografá-las, baseando-se na dificuldade de fatorar grandes números primos para garantir a segurança.
Com sede em Tel Aviv, Israel, a Classiq foi fundada em maio de 2020 e desenvolve ferramentas de software e algoritmos para projetar e otimizar circuitos e aplicativos quânticos. Em junho de 2024, a empresa se uniu ao BMW Group e à NVIDIA para usar a computação quântica para aprimorar os sistemas de engenharia mecânica no setor automotivo.
Embora o Bitcoin e o Ethereum usem principalmente a criptografia de curva elíptica, como explicou Garcell, a premissa de tecnologias como blockchain e criptomoedas baseia-se na ideia de que certos problemas são incrivelmente difíceis de serem resolvidos por computadores convencionais.
“Partimos do pressuposto de que, se criássemos um problema tão difícil, não seria prático resolvê-lo, a menos que você passasse um tempo impossivelmente longo — essencialmente até o fim do universo tentando resolvê-lo”, disse ele. “Em termos práticos, isso pressupõe que o problema é computacionalmente inviável de ser resolvido em qualquer período de tempo razoável, tornando a criptografia segura contra ataques de computadores convencionais.”
“No entanto, os computadores quânticos podem resolver esses problemas de forma muito mais eficiente, desafiando as suposições sobre as quais nos baseamos”, acrescentou Garcell.
O setor de blockchain deve se preocupar?
Hayes e Garcell concordam que a computação quântica se tornará uma realidade nos próximos dez anos, um número que se alinha com um relatório de abril de 2024 da empresa de consultoria digital McKinsey Digital, que afirma que os setores de produtos químicos, ciências da vida, finanças e mobilidade provavelmente verão o primeiro impacto da computação quântica e poderão ganhar até US$ 2 trilhões até 2035.
“Provavelmente, o setor financeiro será o que mais vai ganhar com isso no menor espaço de tempo, pois é o mais sensível a qualquer pequena vantagem computacional”, disse Garcell.
Os grandes bancos estão mergulhando na computação quântica para transformar as finanças. O Wells Fargo começou a colaborar com a IBM e o MIT em 2019, o JPMorgan Chase se uniu à Quantinuum em 2020 e o Goldman Sachs começou a explorar a computação quântica com a QC Ware em 2021.
Embora o setor de blockchain antecipe o apocalipse quântico que se aproxima, de acordo com Garcell, a quebra da criptografia do Bitcoin pode nem estar na lista de objetivos dos desenvolvedores de computadores quânticos. Em vez disso, Garcell acredita que os devs poderão usar computadores quânticos para minerar Bitcoin.
“As pessoas querem ganhar dinheiro. Portanto, muitas pessoas vão minerar esse produto, e todo esse sistema precisa descobrir uma maneira que seja um pouco mais difícil para um computador quântico fazer”, disse Garcell. “Com esses cálculos mais difíceis, talvez você precise de um computador quântico para minerar o Bitcoin do futuro.”
Garcell reconheceu que, embora haja um incentivo financeiro para não tentar derrubar a rede Bitcoin, ele disse que o setor de blockchain precisa estar pronto para quando os computadores quânticos se tornarem comuns.
Os computadores quânticos podem quebrar os sistemas criptográficos, mas também permitem uma criptografia mais forte. Para resolver isso, os desenvolvedores de blockchain estão planejando atualizações para resistir a ataques quânticos.
“É preciso continuar se adaptando, e as blockchains devem evoluir para combater novas ameaças e vulnerabilidades”, disse Garcell.
Em relação ao ponto de vista de Garcell sobre a evolução das visões sobre a computação quântica, em 2019, o cofundador do Ethereum, Vitalik Buterin, sugeriu que os computadores quânticos, como os do Google, IBM e Microsoft, eram amplamente experimentais.
No entanto, três anos depois, em 2022, Buterin disse que os computadores quânticos poderiam quebrar determinados métodos de criptografia, como RSA e curvas elípticas, componentes principais de muitos sistemas cripto.
Em março, Buterin lançou a ideia de um hard fork para proteger a blockchain do Ethereum contra ameaças de computadores quânticos. O plano envolve a reversão de blocos após um ataque, a pausa de determinadas transações e a adição de métodos de validação resistentes ao quantum.
O futuro da computação quântica
Mesmo que as blockchains estejam seguras por enquanto, o setor cripto não está se arriscando. As blockchains resistentes ao quantum, como a Quantum Resistant Ledger (QRL), a Praxxis e a QAN, já estão sendo desenvolvidas com foco em um possível apocalipse quântico. Podemos ficar tranquilos sabendo que, mesmo que os computadores quânticos comecem a dominar o mundo, nossas criptomoedas estarão seguras.
*Traduzido por Gustavo Martins com autorização do Decrypt.
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