Do zero ao quantum

Superposição

No nível quântico, os sistemas físicos podem existir em vários estados ao mesmo tempo. Até o sistema ser observado ou medido, ele ocupa todas as posições ao mesmo tempo. Esse princípio central da mecânica quântica permite que os computadores quânticos trabalhem com o potencial do sistema, onde todos os resultados possíveis existem em uma computação simultaneamente. No caso da computação quântica, os sistemas usados podem ser fótons, íons aprisionados, átomos ou quasipartículas.

Interferência

Estados quânticos podem interferir em outros. A interferência pode ocorrer como anulação ou incremento da amplitude. Uma forma de visualizar a interferência é pensar em duas pedras caindo em um lago ao mesmo tempo. Conforme as ondas de cada pedra se encontrarem, elas criarão picos e vales mais altos nas ondulações. Esses padrões de interferência permitem que os computadores quânticos executem algoritmos que são totalmente diferentes daqueles de computadores clássicos.

Emaranhamento

No nível quântico, sistemas como partículas estão emaranhados, espelhando o comportamento do outro, mesmo em grandes distâncias. Ao medir o estado de um sistema emaranhado, um computador quântico pode conhecer o estado de outro sistema. Em termos práticos, por exemplo, um computador quântico pode conhecer o movimento de rotação do elétron B medindo a rotação do elétron A, mesmo que o elétron B esteja a milhões de quilômetros de distância.

Qubits

Na computação clássica, os cálculos são feitos com combinações de binários conhecidas como bits. Esta é a base das limitações da computação clássica: os cálculos são escritos em uma linguagem que só pode ter um de dois estados em qualquer momento específico – 0 ou 1. Com a computação quântica, os cálculos são escritos na linguagem do estado quântico, que pode ser 0 ou 1, ou qualquer proporção de 0 ou 1 em superposição. Esse tipo de informação computacional é conhecido como “bit do computador quântico”, ou qubit.

Qubits têm características que permitem que as informações aumentem exponencialmente dentro do sistema. Com múltiplos estados operando simultaneamente, os qubits podem codificar imensas quantidades de informação, muito mais do que um bit. Por esse motivo, é difícil superestimar o poder computacional do quantum. O aumento do poder computacional de qubits combinados cresce muito mais rapidamente do que na computação clássica, e como os qubits não ocupam espaço físico como os chips de processamento, é muito mais fácil chegar a recursos de computação infinitos, segundo algumas medições.

Tipos de computadores quânticos

Para entender a computação quântica, é preciso entender os princípios que definem o comportamento do movimento quântico, seus princípios e relacionamentos.

Seja qual for o tipo, o hardware de computação quântica é muito diferente dos farms de servidores associados à supercomputação. O cálculo quântico requer posicionar partículas em condições onde possam ser medidas sem alteração ou disrupção por partículas vizinhas. Na maioria dos casos, isso significa resfriar o próprio computador até quase o zero absoluto e blindar as partículas de qubits contra ruído por meio de camadas de ouro. Como os computadores quânticos atuais exigem condições tão precisas e delicadas, eles precisam ser construídos em ambientes extremamente especializados.

Hoje, uma das principais formas de criptografia digital é a RSA (Rivest-Shamir-Adleman), conhecida como criptografia de chave pública. O algoritmo da RSA foi descrito pela primeira vez por Rivest, Shamir e Adleman em 1977, e mesmo décadas depois, continua a ser um sistema de criptografia extremamente forte.

A RSA baseia-se em duas chaves digitais que se combinam para formar um número primo grande. Embora os computadores clássicos possam multiplicar dois números conhecidos com facilidade para criar um produto primo, não são muito bons para realizar o caminho inverso. Eles têm dificuldade para usar o cálculo de binários por meio de força bruta para derivar dois fatores a partir do produto primo. Ou seja, os algoritmos RSA tradicionais de hoje são, essencialmente, códigos invioláveis, porque até mesmo os supercomputadores mais poderosos não conseguem calcular o valor das chaves em um tempo razoável. Para a criptografia RSA de 2.048 bits atual, a descriptografia com o supercomputador mais rápido levaria cerca de 300 trilhões de anos.

É aí que entra a ameaça da computação quântica. Como os computadores quânticos podem analisar todas as probabilidades de uma vez sem usar um caminho linear, podem efetivamente ignorar o método de uma rota por vez usado pelos computadores clássicos e realizar um cálculo preciso em um tempo razoável. Os computadores quânticos estão perfeitamente equipados para dividir números primos grandes em fatores corretos, possibilitando a quebra da RSA. As previsões sobre a computação quântica de um futuro próximo sugerem que a criptografia RSA possa ser violada em alguns meses e que computadores quânticos mais avançados possam ser capazes de descriptografar a RSA em horas ou minutos.

Computação quântica

É possível que o termo mais mal-utilizado na computação quântica seja “computação pós-quântica”, abreviada como “PQC”. Esse termo causa confusão porque é abreviado em inglês da mesma forma que “criptografia pós-quântica”. No entanto, não existe “computação pós-quântica” no mundo da ciência da computação quântica. Um computador quântico é o termo completo para a máquina, e a computação quântica descreve o campo e o processo. Mesmo quando houver máquinas avançadas e extremamente úteis, elas ainda serão computadores quânticos, e não computadores pós-quânticos.

Criptografia quântica

A criptografia quântica compartilha a sua base na mecânica quântica com a criptografia pós-quântica, mas não é a mesma tecnologia criptográfica que a PQC. Na criptografia quântica, a natureza fundamental de imprevisibilidade é usada para criptografar e descriptografar dados, com as informações codificadas diretamente nos próprios qubits. Atualmente, a versão mais conhecida da criptografia quântica usa as propriedades dos qubits para proteger dados de uma forma que produza erros de qubits se alguém tentar descriptografar as informações sem permissão. Essa forma de criptografia quântica funciona de forma parecida com um sensor de alarme em uma porta ou janela. O acesso não autorizado dispara um alarme.

Criptografia pós-quântica (PQC)

A criptografia pós-quântica funciona com equações matemáticas, assim como a criptografia da computação clássica. A diferença está na complexidade das equações. Na PQC, a matemática tira proveito das propriedades quânticas para criar equações muito difíceis de resolver, mesmo quando os computadores quânticos não conseguem “pular” para a solução correta. Um dos benefícios da PQC é a sua base em equações de difícil resolução. Como ela compartilha a mesma estrutura básica que a criptografia clássica atual, pode ser implantada usando métodos semelhantes aos da criptografia avançada atual e proteger uma grande parte dos sistemas de hoje.