O impacto da computação quântica na ciência e segurança de dados

Antes de mais nada, para entender o que é a computação quântica e como um computador quântico vai (possivelmente) impactar as nossas vidas no futuro, precisamos compará-lo com um computador clássico, e compreender como ele processa os dados.

Computador clássico e portas lógicas

Um computador clássico opera com bits, ou seja, unidades binárias de memória que podem receber valores 0 ou 1. Toda a informação, inclusive cada caractere e pixel de luz que está chegando aos seus olhos agora, está armazenado em algum dispositivo eletrônico (no seu computador ou na nuvem) na forma destes bits. Mais especificamente, eles podem ser processados por meio de portas lógicas, ou seja, estruturas físicas ou um sistema que recebe um conjunto destes bits e retornam um outro bit, 1 se a condição for satisfeita ou 0 se não o for. Na área de programação, chamamos essas funções de operadores Booleanos (nome dado devido aos estudos de George Boole, que publicou trabalhos importantíssimos em lógica algébrica).

De maneira resumida, existem 8 tipos de portões lógicos que são utilizados para se construir um computador universal da forma que conhecemos hoje. Isto é, nossos celulares, laptops, SmartTV’s e calculadoras de bolso utilizam circuitos que possuem esses portões em sua construção.  Cada portão possui um símbolo e retorna um bit diferente com base nos bits de entrada. Caso tenha curiosidade em saber mais, aqui está um material bem explicativo sobre o assunto. Algoritmos computacionais, transcritos de maneira física em nossas placas-mãe, memórias e processadores, utilizam diferentes combinações destas portas lógicas para processar dados e informações. Esse é o segredo da computação clássica. 

Ok, mas onde entra a computação quântica, e o que ela tem de tão diferente pra empresas investirem bilhões no seu desenvolvimento?

Computação quântica

O termo “quantum” foi cunhado por Max Planck ainda no início do séc. XX para descrever a energia da radiação que deixou de ser apresentada de forma contínua, e agora precisava ser “quantizada”, ou seja, dividida em pequenos pedaços ou pacotes para que a teoria concordasse com o experimento em algumas áreas da física. Dito isso, a principal diferença está justamente na forma que um processador quântico opera os seus bits de dados.

Na verdade, um computador quântico opera com o que convencionou-se chamar de Qubits, e sua principal (e drástica) diferença é que um Qubit consegue armazenar valores de 0, de 1 e também uma mistura, chamada de superposição, de dois estados 0 e 1. Este terceiro estado, que é uma consequência direta da física quântica (parte da física que estuda sistemas muito pequenos, na escala atômica), é o que possibilita que se crie novas portas lógicas, além das 8 descritas acima, e que algoritmos de computação quântica sejam tão poderosos.

Em outras palavras, portas clássicas operam com bits clássicos, que armazenam apenas 0 e 1, enquanto que portas quânticas operam bom Qubits, que, além dos estados 0 e 1, possuem propriedades adicionais que são superposição e entrelaçamento.

Superposição

Acredito que a forma mais difundida de explicar o fenômeno da superposição seja o experimento mental do Gato de Schroedinger. Verdade seja dita, o Prof. Schroedinger, à época, pensou nesse experimento como um contraexemplo para demonstrar que a interpretação corrente da mecânica quântica não fazia sentido. Anos se passaram e a história do gato vivo e morto agora é usada como camiseta de calouros de cursos de física no mundo todo.

Sem me alongar demais, a questão é a seguinte: A física quântica é descrita matematicamente por meio de uma série de equações diferenciais. Estas equações, que descrevem estados físicos e outras propriedades da matéria, possuem mais de uma solução satisfatórias e que descrevem bem alguns experimentos. Acontece que, matematicamente falando, se uma equação diferencial dessas possui uma solução A, que descreve por exemplo a posição de um elétron; e uma solução B, diferente de A, é possível demonstrar que A e B são uma solução, ao mesmo tempo, para aquela equação. E é aqui que, ao meu ver, começa toda a confusão. A interpretação corrente mais aceita hoje para essas equações é que a partícula existe num estado de superposição, ou seja, no estado A e B ao mesmo, entretanto colapsa para um ou outro, quando uma medida é realizada. 

Entrelaçamento

Bom, como se não bastasse a estranheza do conceito de superposição, algumas partículas ainda apresentam um conceito sujeitado a esse, que é o entrelaçamento. Quando um par de partículas é criado, elas dividem algumas propriedades em comum. De certa maneira, é como se aquela mesma solução A & B valesse para as duas ao mesmo tempo, mesmo que estejam a km de distância uma da outra. Em alguns casos, o entrelaçamento combinado com a superposição significa que quando você medir a solução A e colapsar o estado de superposição da primeira partícula, a segunda, automaticamente, (o que Einstein chamou de ‘Efeito fantasmagórico a distância) colapsará para o estado B sem que seja preciso fazer medida nenhuma (lembre-se que, para colapsar um estado de superposição, é necessário que se faça a medida e no caso do entrelaçamento, a medida precisa ser feita em apenas uma das partículas entrelaçadas).

Não se preocupe se os conceitos acima parecem confusos. São mesmo. Físicos no mundo todo ainda discutem se as interpretações da mecânica quântica têm alguma implicação mais fundamental na nossa realidade do que correntemente aceita. Entretanto, isso não impede de que os resultados da mecânica quântica possam ser utilizados nas mais diversas aplicações. E aqui nós voltamos para a computação quântica. 

Funcionamento do computador quântico

Da mesma forma que computadores clássicos podem ser construídos bit a bit, com transistores e os portões lógicos que mostrei anteriormente, um computador quântico é montado Qubit a Qubit, com portas quânticas que operam estes Qubits e permitem fazer todos os cálculos que um computador comum faria (e muito mais), em teoria. Na prática, a construção e manutenção de um computador quântico é uma tarefa laboriosa, já que os Qubits só mantêm suas propriedades quânticas em condições muito específicas, como baixíssimas temperaturas, próxima do zero absoluto, e isolados de qualquer fonte de perturbação externa. 

IMB cunhou um termo chamado de volume quântico, que expressa de certo modo o número de Qubits num processador quântico versus a taxa de erro. É uma medida de capacidade computacional. Em outras palavras, se o erro nas medidas quânticas persiste, mesmo que na casa dos milésimos, de nada adianta aumentar o número de Qubits. A capacidade computacional só aumentaria de fato quando o erro fosse menor que 1 milionésimo, mas de toda forma as duas coisas precisam caminhar juntas. 

Desafios da computação quântica

Por mais maravilhoso entusiasmado possamos ficar com as notícias de supremacia quântica atingida por algum supercomputador ao redor do mundo, devemos ter cautela em entender que existem também muito mitos por aí e, mais importante que isso, muito desenvolvimento para ser realizado tanto em engenharia quanto em sistemas para esses computadores. Um deles diz respeito ao “paralelismo quântico”, ou seja, um computador quântico poderia realizar várias operações em paralelo e devolver a melhor resposta para um problema específico.

Por mais que de fato um computador quântico possa lhe fornecer a melhor solução para um problema complexo de maneira exponencialmente mais rápida que um computador clássico, a maneira com que ele faz isso se deve intrinsecamente às leis da mecânica quântica, da qual não temos uma compreensão completa, ainda. Michael Nielsen, autor de um dos livros mais citado nesta área, afirma que se houvesse uma explicação simples para como um computador quântico funciona, então isso poderia ser simulado num computador clássico. Mas, se isso pudesse ser de fato simulado num computador convencional, então não seria um modelo acurado de um computador quântico, já que computadores quânticos, por definição, não operam de forma convencional. 

Sendo assim, o aspecto crucial da computação quântica reside na forma que os Qubits estão organizados em portas lógicas quânticas, as quais possuem ainda uma propriedade diferente das portas clássicas, que é a reversibilidade. Isto é, cada porta quântica possui uma espécie de mecanismo que permite acessar valores anteriores, o que não é possível, ainda, na computação convencional. Podemos entender com isso que computadores quânticos não perdem a informação que é processada.

Matrizes de Pauli

Quase toda a física quântica pode ser expressada na forma matricial. Assim, teoricamente, podemos descrever os Qubits como vetores e os portões na forma de matrizes. Um portão pode operar mais de 1 Qubit ao mesmo tempo. Se esse for o caso, este portão será representado por uma matriz 2×2. Estes portões que operam em Qubits únicos por vez são conhecidos como portões (ou matrizes) de Pauli, em homenagem ao físico Wolfgang Pauli, que tem contribuições importantíssimas na mecânica quântica. 

Um exemplo de fácil entendimento é o portão X de Pauli, que opera de maneira semelhante ao portão NOT da computação convencional. 

Dizemos X pois os Qubits podem ser orientados nas três direções espaciais (X, Y, Z), e existe uma matriz de Pauli para operar em cada uma dessas direções. Além do portão de Pauli, talvez outro dos mais importantes que operam em Qubits únicos seja a porta de Hadamard. Sua principal função é transformar um Qubit de estado bem definido (0 ou 1) na tal superposição de estados quânticos.

Computação quântica na atualidade

Não entrarei em detalhe quanto à mecânica de cada portão quântico, mas vale dizer que, assim como na computação convencional, diferentes combinações de portões lógicos quânticos, em teoria, podem ser utilizadas para se criar um computador universal. Entretanto, você já deve ter ouvido falar de computadores quânticos em operação. Essas máquinas, apesar de já alegarem a resolução de problemas centenas de vezes mais rápido que um supercomputador clássico, ainda não são equipamentos universais, e seus chips são criados para resolver uma única tarefa. Não se tem notícia, até a data de escrita deste artigo, de nenhuma empresa que tenha criado um chip de computação quântica universal, porém houve avanços e, atualmente, empresas com a IBM possuem em seus laboratórios de desenvolvimento chips com mais de 100 Quibits em operação, mas com a finalidade de resolução de tarefas e cálculos específicos. 

Outra coisa que vale ressaltar é que estes computadores quânticos em operação são máquinas gigantescas, que ocupam salas, e talvez andares inteiros para que se mantenham em funcionamento.

Decoerência

O fenômeno que assombra processadores quânticos do mundo todo é a decoerência. Nos melhores computadores quânticos de propósito único, ela acontece após alguns poucos segundos em operação, e se deve principalmente na dificuldade de se manter os Qubits em seus estados iniciais e em superposição. Aliás, a decoerência é o principal motivo de não observarmos fenômenos quânticos no nosso mundo macroscópico. Se subirmos pouquíssimas ordens de grandeza em questão de quantidade de partículas, temperatura, ou tamanho, a decoerência entra em ação e todo o sistema volta a se comportar de acordo com a velha e boa física clássica. Entretanto, se lembrarmos que o ENIAC, o primeiro computador universal, também ocupava uma sala inteira, e considerarmos que a lei de Moore também valerá para processadores quânticos, podemos ser promissores em admitir que em algumas décadas teremos capacidade computacional quântica real para aplicações nas mais diversas áreas.

Computação quântica e aplicações

Mesmo com apenas algumas dezenas de Qubits, processadores quânticos universais já seriam capazes de superar a capacidade computacional atual em alguns problemas específico, como a modelagem molecular, essencial para a fabricação de novos fármacos e estudo de doenças, problemas de otimização de rotas e processos e categorização de números primos. Este último aspecto, é talvez o que deixa muitos gerentes de segurança da informação com pesadelos durante a noite. 

Acontece que a maioria dos algoritmos de encriptação e desencriptação de dados hoje funcionam com chaves baseadas em números primos. Sendo assim, um computador quântico universal poderia, em teoria, obter uma chave de desencriptação em questão de segundos. Os melhores firewalls e sistemas de criptografia seriam quase que transparentes para um computador quântico universal com algumas centenas de Qubits. A principal razão para isso é a forma que processadores quânticos processam os dados.

Segurança de dados

Considere um exemplo de um banco de dados com 1 bilhão de linhas, onde cada linha contém um nome. Para fazer uma busca nesse banco, um computador convencional (desconsiderando algoritmos de otimização) checa nome por nome daquela lista, até encontrar o resultado desejado. Dito de maneira bem simples, num computador quântico esta lista poderia estar armazenada num estado de superposição usando os Qubits,  então a “query” seria aplicada de forma a colapsar esta lista para o nome desejado na busca, com uma única operação. Com este simples exemplo já podemos ver a gritante diferença na performance dos computadores quânticos comparados com os convencionais, e muito mais ainda pode ser feito e está em desenvolvimento enquanto você lê este artigo. 

Porém, já existem formas de gestores se defenderem quando a supremacia quântica for atingida de fato. Desde a segunda metade do séc. XX, existem algoritmos de criptografia quântica que utilizam outras propriedades (esquisitas) da física quântica em benefício próprio. Um exemplo seria o (famoso) caso de Alice e Bob. Se Alice envia uma mensagem criptografada quanticamente para Bob, Bob pode saber se a mensagem foi interceptada, pois uma leitura por um terceiro feita à mensagem enviada por Alice alteraria os Qubits enviados de forma significativa. Isso ocorre, pois, estados em superposição, como disse, são alterados ou colapsados quando é feita uma medida. Acredito ser desnecessário dizer que o cenário real é infinitamente mais complexo que esse que apresentei, mas este exemplo foi só para ressaltar que nem tudo está perdido quanto à segurança da informação quando (ou se) os primeiros computadores quânticos universais estiverem disponíveis.

Computação quântica – Considerações finais

Para terminar, devo ressaltar que, apesar de ainda parecer um futuro distante, a computação quântica já está posta no mercado e deve movimentar bilhões de dólares nos próximos anos. Eu acredito que ainda veremos o paradigma da computação quântica ser quebrado e todas as implicações que isso irá trazer.

Mesmo que não compreendamos ainda 100% todos os aspectos da física quântica, ainda assim já a utilizamos há mais de um século em diversos dispositivos eletrônicos. Como comentei no artigo anterior, a miniaturização dos transistores só foi possível graças a cálculos de mecânica quântica. Portanto, não compreender completamente o que se passa dentro da caixa preta, que são as portas lógicas quânticas, não irá impedir a indústria de investir e utilizar essa tecnologia quando estiver pronta.

Existem ainda muitos desafios, seja no desenvolvimento de novos materiais, construção de hardware, algoritmos de programação, desenvolvimentos de sistemas etc. Entretanto, é bom estarmos preparados para as mudanças, principalmente num mundo mais e mais dependente do processamento de dados, pois com toda certeza o mundo vai mudar quando esse processamento crescer de maneira exponencial com o advento da supremacia quântica.

Leia também: Internet Tátil

Referências:

https://towardsdatascience.com/demystifying-quantum-gates-one-qubit-at-a-time-54404ed80640

https://towardsdatascience.com/the-need-promise-and-reality-of-quantum-computing-4264ce15c6c0

https://www.ibm.com/quantum-computing/

https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html

https://www.quantamagazine.org/the-era-of-quantum-computing-is-here-outlook-cloudy-20180124/

https://www.techtarget.com/searchsecurity/definition/quantum-cryptography#:~:text=Quantum%20cryptography%20is%20a%20method,secret%20key%20can%20decrypt%20it.
https://tecnoblog.net/especiais/joao-brunelli-moreno/eniac-primeiro-computador-do-mundo-completa-65-anos/

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