Os computadores quânticos em breve quebrarão a privacidade na internet?
Computadores quânticos são uma nova abordagem de cálculo que utiliza princípios da física fundamental para resolver problemas extremamente complexos de forma muito rápida.
Uma das aplicações mais promissoras dos computadores quânticos é a simulação do comportamento da matéria até o nível molecular.
Um computador quântico aproveita alguns dos fenômenos quase místicos da mecânica quântica para conseguir saltos enormes na capacidade de cálculo. Computadores quânticos prometem superar até os mais poderosos supercomputadores de hoje – e de amanhã.
Apenas a computação quântica – apenas uma das três principais áreas da emergente tecnologia quântica – poderá valer quase 1,3 trilhões de dólares até 2035.
No entanto, eles não substituirão os computadores convencionais. Um computador clássico ainda será a solução mais simples e econômica para a maioria dos problemas. Mas os computadores quânticos prometem avanços empolgantes em diversas áreas, desde a ciência dos materiais até a pesquisa farmacêutica. Empresas já estão experimentando com eles para desenvolver, por exemplo, baterias mais leves e potentes para carros elétricos e para criar novos medicamentos.
As máquinas são excelentes para problemas de otimização, já que podem passar por uma grande quantidade de soluções possíveis de forma extremamente rápida. A Airbus, por exemplo, as utiliza para calcular as rotas de subida e descida mais eficientes em termos de combustível para aeronaves. E a Volkswagen apresentou um serviço que calcula as rotas ideais para ônibus e táxis em cidades para minimizar engarrafamentos.
Alguns pesquisadores acreditam também que as máquinas poderiam ser usadas para acelerar a inteligência artificial. Mas há um grande debate no mundo da pesquisa sobre o quanto a conquista desse marco será significativa.
Deixe-me tentar explicar isso para você da maneira mais simples possível
Na década de 1990, pesquisadores perceberam que computadores quânticos poderiam aproveitar as peculiaridades da física para resolver tarefas que parecem inatingíveis para computadores “clássicos”. Peter Shor, um matemático que hoje trabalha no Massachusetts Institute of Technology em Cambridge, mostrou em 1994 como aplicar os fenômenos de superposição quântica – que descreve a capacidade de objetos em tamanho atômico de existirem em uma combinação de vários estados simultaneamente – e de interferência quântica, que é análoga à forma como as ondas em um lago se somam ou se cancelam, no fatoração de números inteiros em números primos, ou seja, os números inteiros que não podem ser divididos sem deixar um resto.
O segredo do poder de um computador quântico está na sua capacidade de gerar e manipular bits quânticos (qubits).
Computação clássica, a tecnologia que impulsiona seu laptop e smartphone, baseia-se em bits. Um bit é uma unidade de informação que pode armazenar zero ou um.
Tudo, desde seus tweets e e-mails até suas músicas do iTunes e vídeos do YouTube, é essencialmente uma longa sequência dessas cifras binárias.
Em contraste, a computação quântica é baseada em bits quânticos (qubits), que podem armazenar zeros e uns. Os qubits podem representar qualquer combinação de zero e um simultaneamente – isso é chamado de superposição.
Computadores quânticos são normalmente compostos por partículas subatômicas, como elétrons ou fótons. A geração e gerenciamento de qubits é um desafio científico e técnico. Algumas empresas, como IBM, Google e Rigetti Computing, usam circuitos supercondutores, que são resfriados a temperaturas mais frias que o espaço. Outras, como IonQ, capturam átomos individuais em campos eletromagnéticos em um chip de silício em câmaras de ultravaixo vácuo.
Em ambos os casos, o objetivo é isolar os qubits em um estado quântico controlado. A maior máquina quântica disponível hoje – o chip Osprey, anunciado em novembro pela IBM – possui 433 qubits.
Qubits têm algumas propriedades quânticas estranhas que permitem que um grupo de qubits coeso forneça muito mais poder de computação do que o mesmo número de bits binários. Uma dessas propriedades é denominada superposição, outra é o entrelaçamento.
Pode levar alguns anos até que os computadores quânticos alcancem todo o seu potencial. Universidades e empresas que trabalham neles estão enfrentando uma escassez de pesquisadores qualificados nesta área – e uma falta de fornecedores para alguns componentes-chave. Mas se essas máquinas de computação exóticas cumprirem o que prometem, elas podem transformar indústrias inteiras e impulsionar a inovação global.
O Problema PRVCY
Como costuma acontecer com a tecnologia, este desenvolvimento também possui um lado político. A maioria dos países de alta renda começaram a investir na pesquisa de computadores quânticos, de forma independente ou em parcerias público-privadas. Muitos países de renda média também iniciaram programas-piloto de computação quântica.
E, como em qualquer corrida tecnológica, duas forças principais estão em jogo.
Estados Unidos da América
Nos Estados Unidos, o governo está trabalhando em tecnologia quântica militar e, no ano passado, incorporou as Diretrizes de Cibersegurança Pós-Quântica à legislação.
A legislação é composta por duas partes principais. A primeira afirma que o Office of Management and Budget (OMB) deve se preparar para a transição para a criptografia pós-quântica dentro de um ano após a publicação das novas diretrizes pelo NIST. Isso significa que o OMB deve começar a implementar algoritmos criptográficos aprovados pelo NIST para proteger os sistemas de TI no executivo até 5 de julho de 2023.
Na segunda parte, o OMB deve apresentar um relatório ao Congresso, delineando sua estratégia de transição e solicitando recursos para a transição para sistemas seguros quânticos até 21 de dezembro de 2023. O projeto de lei também exige que a agência articule seus esforços de coordenação com organizações internacionais de padronização e outros consórcios até essa data.
China
Por outro lado, uma equipe de pesquisadores na China apresentou recentemente uma técnica que teoricamente poderia quebrar as metodologias mais comuns de proteção da privacidade digital usando um computador quântico rudimentar.
Eu chamo isso de ataque chinês, e para explicar por que essa declaração é política, preciso ser técnico:
Quando computadores clássicos resolvem um problema com várias variáveis, eles precisam realizar um novo cálculo toda vez que uma variável muda. Cada cálculo é um único caminho para um único resultado. No entanto, os computadores quânticos têm um espaço de trabalho maior, o que significa que podem explorar uma enorme quantidade de caminhos simultaneamente. Essa capacidade significa que os computadores quânticos podem ser muito, muito mais rápidos que os computadores clássicos.
A técnica usada para os chineses funcionou em uma pequena demonstração, relatam os pesquisadores, mas outros especialistas estão céticos de que o procedimento poderia ser escalonado para superar computadores comuns nesta tarefa. No entanto, é um lembrete da vulnerabilidade da privacidade online.
O algoritmo de Shor tornaria um computador quântico exponencialmente mais rápido do que um clássico ao quebrar um sistema de criptografia baseado em números primos grandes – Rivest-Shamir-Adleman ou RSA, de acordo com as iniciais de seus inventores – bem como algumas outras técnicas criptográficas populares que atualmente protegem a privacidade e segurança na internet.
Pesquisadores dizem que poderia ser necessário um milhão ou mais de qubits para quebrar a RSA
Shijie Wei, da Academia de Ciências da Informação Quântica de Pequim, e seus colegas seguiram um caminho diferente para quebrar a RSA. Eles não se basearam no algoritmo de Shor, mas no algoritmo de Schnorr – um método para fatorar números inteiros, desenvolvido pelo matemático Claus Schnorr na Universidade Goethe em Frankfurt nos anos 1990. O algoritmo de Schnorr foi desenvolvido para computadores clássicos, mas a equipe de Wei implementou parte do processo em um computador quântico, usando um método chamado QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm).
No trabalho ainda não revisado por pares, os autores afirmam que seu algoritmo pode quebrar chaves RSA fortes – números com mais de 600 dígitos – com apenas 372 qubits. Em um e-mail para a Nature, Guilu Long, físico da Universidade de Tsinghua na China, alertou em nome de todos os autores que não é suficiente ter muitos qubits, e que os computadores quânticos atuais ainda são muito propensos a erros para realizar um cálculo tão grande com sucesso. “Aumentar simplesmente o número de qubits, sem reduzir a taxa de erro, não ajuda.”
Chao-Yang Lu, um físico que constrói computadores quânticos na Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei e que não esteve envolvido no projeto, afirma que para rodar o algoritmo QAOA em uma máquina tão pequena, cada um dos 372 qubits teria que operar sem erros 99,9999% do tempo. Os qubits modernos atingem apenas uma precisão de 99,9%.
O problema é que ninguém sabe se o QAOA acelera o cálculo de grandes números mais rapidamente do que a execução do algoritmo clássico de Schnorr em um laptop. “Deve-se notar que a aceleração quântica do algoritmo é incerta”, escrevem os autores.
Em outras palavras: embora o algoritmo de Shor garanta quebrar a criptografia de maneira eficiente se um computador quântico suficientemente grande estiver disponível, a técnica baseada em otimização poderia rodar em uma máquina muito menor, mas talvez nunca cumpra a tarefa.
Ainda que a técnica baseada em Schnorr não vá destruir a internet, os computadores quânticos poderão fazê-lo um dia executando o algoritmo de Shor. Por esse motivo, a China anunciou que está trabalhando para quebrar a criptografia de computadores e os Estados Unidos anunciaram sua Lei de Cibersegurança Pós-Quântica.
Todos os países com um produto interno bruto superior a 1 trilhão de dólares lançaram iniciativas nacionais quânticas. Esta categoria inclui China, Japão, Índia, Canadá e EUA, que investem a maior parte dos recursos em pesquisa quântica. Mas também inclui Alemanha, Reino Unido, França, Rússia, Itália, Brasil, Austrália, Coreia do Sul, Espanha, Arábia Saudita e Holanda (na ordem do PIB). Brasil e Espanha lançaram suas iniciativas nacionais quânticas no ano passado.
Na maioria desses países, também existe um setor comercial dinâmico voltado à pesquisa quântica. O número de empresas privadas de computação quântica é relativamente grande em muitos desses países em comparação com outros. Nos EUA, há mais de 350, no Reino Unido mais de 100, na Alemanha mais de 100, no Canadá mais de 80, na França mais de 75, na China mais de 35, no Japão mais de 35, na Holanda mais de 35, na Índia mais de 20 e na Espanha mais de 15.
Isso significa que a corrida pelos melhores resultados e o medo dos outros países começaram. Nesse contexto, pesquisadores de segurança desenvolveram uma série de sistemas criptográficos alternativos considerados menos vulneráveis a ataques quânticos, chamados de Pós-Quântico ou Seguros para Quânticos. Mas talvez no futuro, pesquisadores também descubram melhores algoritmos quânticos que possam vencer esses sistemas.
