Por que o computador quântico ameaça a segurança digital?

Computadores Quânticos estão sendo comentados cada vez mais pela mídia, esse campo tem se mostrado como uma área do mercado promissora para as próximas décadas. Talvez você até tenha ouvido falar que computador quântico é o futuro da computação pessoal, que eles vão quebrar toda a criptografia existente, nos ajudarão a entender a origem do universo, entre coisas que fazem sentido e outras que nem tanto.

Hoje vamos explicar de uma forma simplificada o que é um computador quântico e para que ele serve, além de responder algumas dúvidas comuns sobre a aplicabilidade dessa tecnologia.

Bits e qubits

A nossa viagem para entender computadores quânticos começa com uma pergunta ainda mais simples, você saberia dizer como funciona um computador tradicional? Saber usar um computador, é diferente de saber como ele funciona, conhecer o que cada peça faz, não quer dizer que você entende como elas realmente funcionam. Para explicar computadores quânticos, a gente precisa falar um pouco sobre computadores tradicionais.

Computadores modernos são uma evolução de máquinas criadas há várias décadas, que apesar de usarem tecnologias diferentes, ainda seguem a lógica dos antigos computadores valvulados. Tudo se resume ao “bit”, a menor unidade computacional, representada pelo número 1 ou pelo número 0, a famosa unidade binária.

Binário é simples de entender, 1 representa a presença de algo, 0 representa a ausência, como a corrente elétrica que passa por um interruptor, com a luz ligada temos 1, com ela desligada temos 0 – cara ou coroa.

Com a quantidade adequada de zeros e uns e tempo suficiente para o CPU conseguir processar as informações, a gente poderia, em tese, fazer qualquer coisa. Tudo o que você faz no seu computador atualmente, seja o seu laptop, desktop ou Smartphone, no fim das contas são operações envolvendo zeros e uns, numa matemática cheia de abstrações.

Enquanto os nossos computadores atuais usam bits, um computador quântico usa algo diferente chamado de “qubit”, ou um bit quântico. Diferente do que ocorre com um bit tradicional, que pode ser 1 ou 0, um qubit não tem essa mesma definição, ele pode ser zero ou um, assim como o bit tradicional, ou uma superposição entre 0 e 1.

Mecânica quântica

Para entender o que é superposição e porque essa ideia é tão fantástica, uma breve explicação sobre mecânica quântica. Este é um ramo da ciência que estuda o comportamento de partículas subatômicas, ou seja, menores do que um átomo. Como tudo ao nosso redor é feito de átomos e suas subpartículas, incluindo você mesmo, o estudo desse ramo da física pode ter implicações diretas com qualquer coisa.

A evolução da nossa tecnologia atual depende de descobertas relacionadas ao comportamento atômico.

Talvez você lembre das suas aulas de ciência sobre a estrutura de um átomo sendo representado segundo o modelo atômico de Rutherford-Bohr. Num átomo de hidrogênio, por exemplo, há um elétron que fica orbitando o núcleo atômico, que neste caso, é composto por apenas um Proton.

Elétrons também tem características descritas como o spin, sem muitas explicações, eles podem estar em dois estados, spin UP ou DOWN, e conseguimos usar essa característica para criar o equivalente ao sistema de bits tradicionais que conhecemos, como se fosse a representação de 1 e 0, dois estados diferentes.

O conceito de superposição é um dos grandes trunfos de um computador quântico, ele afirma que uma subpartícula atômica, como um elétron, existe probabilisticamente em todos os estados teoricamente possíveis antes de ser medido, ou seja, antes de você saber o spin do elétron, ele pode estar em qualquer lugar, sendo um 0 e 1 ao mesmo tempo, porém, quando medido ou observado, o sistema colapsa para algo tradicional, apresentando um desses estados. Um dos exemplos mais famosos de como a mecânica quântica quebra a física tradicional é o famoso experimento da fenda dupla.

De onde veio a ideia de criar um computador quântico?

Apesar desse efeito de colapso do sistema reduzir, sob a percepção de um humano, os computadores quânticos a uma versão dos nossos computadores tradicionais, sua forma de trabalhar é muito diferente. Computadores quânticos podem ser construídos de diversas formas, mas no fim das contas, tudo se resume a pegar uma partícula quântica, como um elétron, e criar uma espécie de contenção para que ele possa ser manipulado e observado.

Para isso acontecer, precisam ser mantidos próximos do zero absoluto, onde as partículas praticamente não têm movimento.

Nessa imagem, o processador quântico é aquele microchip pequeno que aparece na parte inferior e lembra as nossas CPUs tradicionais, o restante do entorno é um poderoso refrigerador para manter o chip o mais próximo possível da temperatura zero Kelvin.

Nos anos 80, Richard Feynman, um dos maiores nomes da física moderna, estava tentando estudar a física de partículas, para entender o mundo quântico.

O problema é que sistemas quânticos são instáveis, e o simples fato de observá-los costuma danificar a informação, por causa disso, o Feynman queria criar uma simulação computacional do mundo quântico para estudar mais diretamente o comportamento das partículas. O problema é que os cálculos que ele precisava fazer eram sempre complexos demais para o poder computacional da época e levava muito tempo para conseguir qualquer resultado.

Não levou muito tempo para perceber que desenhar uma simulação quântica não é possível ou viável num computador tradicional, o custo da computação se tornava muito alto, uma vez que não escala bem para resolver os problemas cada vez mais complexos do mundo quântico, ainda mais naquela época.

Seu próximo computador não será quântico

A ideia que o Feynman teve foi usar elementos quânticos para criar uma ferramenta para simular eventos quânticos, com alguma tecnologia que pudesse lidar com essa matemática complexa. Um computador quântico não é a nova geração ou a evolução do seu computador, assim como um avião não é a evolução de um carro. Ainda que eles possam cobrir objetivos similares, são tecnologias totalmente diferentes.

Essa lógica é tão verdadeira, que um computador quântico pode ser especialmente bom para resolver alguns problemas, enquanto pode ser extremamente lento para resolver outros que o seu computador tradicional resolveria num piscar de olhos.

Para ter uma ideia da eficiência de computadores quânticos para problemas complexos, considere, por exemplo, que um bit tradicional só pode ser 1 ou zero, então, podemos dizer que se tivermos dois bits, eles podem ser ordenados apenas em 4 formas possíveis, 00, 01, 10 ou 11.

Como um Qubit está em “superposição”, ele pode ser qualquer valor entre 0 e 1 ao mesmo tempo, então nesse cenário, se tiver dois Qubits, eles não precisam se organizar 4 vezes diferentes para gente fazer essa mesma operação, eles vão estar em qualquer variação ao mesmo tempo. Dessa forma, não precisa de 4 pares de bits diferentes para representar 4 números, apenas de 2 Qubits.

Se adicionar mais um Qubit nessa história, totalizando 3, agora dá para representar 8 estados diferentes e fazer um cálculo que inclua 8 variáveis de uma única vez, enquanto na computação tradicional, eu teria que enfileirar 8 operações e resolver uma por vez, é essa a “mágica” da velocidade da resolução de cálculos por computadores quânticos.

Com um computador quântico de 300 Qubits, graças a essa propriedade exponencial, a gente poderia representar mais estados ao mesmo tempo, do que o valor de partículas que existem em todo o universo observável.

Seu computador tradicional é perfeitamente rápido para resolver cálculos tradicionais, para navegar na internet, rodar softwares, por conta disso, o campo onde computadores quânticos se destacam é no ramo de cálculos imensos.

Quebrando a criptografia moderna

Você já deve ter ouvido falar de supercomputadores. Para certos problemas, nem mesmo os melhores que nós temos hoje em dia dão conta. Supercomputadores são computadores tradicionais de grande porte, que somam o poder de vários chips, geralmente com milhares de núcleos típicos de CPU e GPU. É para eles que os engenheiros e os cientistas correm quando querem resolver problemas realmente complexos.

Nesse ramo, um problema considerado “complexo” tem muitas variáveis diferentes interagindo umas com as outras, gerando ainda mais variáveis. Exemplo disso é modelar o comportamento de átomos individualmente em uma molécula, escolher as melhores rotas para transporte de mercadorias ao redor do mundo, prever a movimentação atmosférica que ajuda na previsão do tempo, a genética de qualquer vida sobre o planeta, entre várias outras coisas.

Entre elas, talvez uma que tenha dado mais fama aos computadores quânticos nos últimos tempos seja a criptografia. Existem empresas, estados, países e pessoas armazenando dados confidenciais criptografados, como senhas, detalhes bancários ou informações sigilosas.

Nenhum supercomputador tradicional consegue quebrar a nossa criptografia atual por força bruta em um tempo viável. A expectativa é que em alguns anos, mesmo que sejam algumas décadas, existam computadores quânticos poderosos o suficiente para quebrar a criptografia de todos esses arquivos em poucos minutos, graças ao milagre dos qubits e a forma com que um computador quântico funciona.

Dada a natureza dos computadores quânticos e os ambientes extremamente controlados que eles precisam, somente grandes empresas e estados devem conseguir ter esse tipo de equipamento, ao menos por enquanto.

Um novo mercado de trabalho

Apesar da ideia de um computador quântico acessível ainda parecer distante, a corrida para tornar os nossos sistemas computacionais “quantum resistentes” já começou. A IBM é uma das empresas de maior destaque nesse segmento, no Quantum Summit do ano passado, foi discutido justamente como fazer com que a nossa tecnologia continue segura e criptografada na era dos computadores quânticos.

Existem várias campanhas para atualizar os nossos algoritmos criptográficos, com alguns disponíveis que tendem a ser lapidados com o tempo. Computadores quânticos não vão estar na sua mesa ou no seu bolso tão rápido, mas são um campo fascinante a ser explorado. Quando se fala em profissões do futuro na área da tecnologia, raramente se vê alguém falando disso.

Muitas áreas vão se beneficiar do estudo de números complexos mediante computadores quânticos, como a medicina, a possibilidade de entender com maior facilidade como um vírus novo funciona vai ajudar a salvar muitas vidas.

Você já deve ter percebido também que a previsão do tempo é dada em porcentagem, mas você já parou para pensar o que significa quando tem 50% de chance de chuva? Quem sabe, com computadores quânticos, prever o comportamento da atmosfera fique mais simples.

Talvez agora você tenha uma noção mais clara do que são computadores quânticos e para que eles são usados, mecânica quântica é um assunto complexo, e mesmo simplificando um pouco as coisas, ainda existem pontos difíceis de compreender. Se serve de consolo, o próprio Richard Feynman uma vez disse “se você acha que entendeu a mecânica quântica, você não entendeu a mecânica quântica”.

Mesmo com a evolução dos computadores quânticos, os supercomputadores devem perdurar por bastante tempo. Veja a nossa experiência com um supercomputador da NVIDIA!