Chip Willow da Google (Fonte:reversepcb)

Lançamento do Chip Willow da Google (Fonte:reversepcb)

O rápido avanço da tecnologia fez com que a computação quântica passasse de conceitos teóricos para a realidade prática. A revelação do chip quântico Willow da Google em dezembro de 2024 capturou atenção generalizada. Este chip marca um salto significativo nas capacidades computacionais e introduz um desafio potencial aos sistemas de criptografia existentes. Neste artigo, iremos aprofundar os princípios da computação quântica, explorar a inovação tecnológica representada pelo chip Willow da Google, examinar suas aplicações potenciais, avaliar a ameaça que representa para as criptomoedas e discutir como a indústria de criptomoedas deve se preparar para este desafio emergente.

O que é Computação Quântica?

A computação quântica é uma abordagem computacional inovadora baseada nos princípios da mecânica quântica, utilizando bits quânticos, ou qubits, para realizar cálculos. Ao contrário dos bits binários clássicos, que representam 0 ou 1, os qubits podem existir simultaneamente em uma superposição de ambos os estados e exibem correlações intrincadas através do emaranhamento quântico.

Esta propriedade única permite que os computadores quânticos resolvam problemas específicos a velocidades exponencialmente mais rápidas. Por exemplo, tarefas como a factorização de números primos, que poderiam demorar milhões de anos para os computadores tradicionais, poderiam ser completadas utilizando a computação quântica em segundos ou minutos. Tais capacidades têm implicações profundas para a criptografia moderna e a computação científica, apresentando oportunidades e desafios.

Por que os computadores quânticos são mais rápidos do que os supercomputadores?

As vantagens dos computadores quânticos derivam de três princípios fundamentais da mecânica quântica:

1. Superposição:

   • Um único bit quântico pode simultaneamente estar em um estado de 0 e 1, o que significa que 𝑛 bits quânticos podem representar 2^𝑛 estados possíveis. Isso permite que a computação quântica explore várias possibilidades simultaneamente, melhorando significativamente a eficiência.

2. Emaranhamento:

   • O emaranhamento quântico permite que dois bits quânticos tenham estados altamente correlacionados, mesmo que estejam distantes. Essa característica permite que os computadores quânticos colaborem rapidamente durante operações de vários qubits, reduzindo a latência.

3. Interferência:

   • Os computadores quânticos podem manipular a fase dos estados quânticos para aumentar a probabilidade de respostas corretas e reduzir a probabilidade de respostas incorretas. Esta capacidade aumenta ainda mais a velocidade e a precisão dos cálculos.

Se a computação quântica fosse comparada a um processo de resolução de labirintos, uma CPU tradicional só pode tentar cada caminho um por um, enquanto uma GPU pode enviar milhares de agentes por caminhos diferentes simultaneamente. Um computador quântico, no entanto, seria como ter inúmeros clones de sombra explorando todos os caminhos simultaneamente até que a saída seja encontrada.

Avanço Tecnológico do Chip Willow da Google

Os dois feitos mais significativos do chip Willow da Google são os seguintes:

• Willow pode reduzir exponencialmente os erros, resolvendo um desafio-chave na correção de erros quânticos que tem sido perseguido há quase 30 anos neste campo.
• Willow completou um cálculo de referência padrão em menos de cinco minutos, uma tarefa que levaria um dos supercomputadores mais rápidos da atualidade 10 quintilhões de anos (1025 anos) – um número muito superior à idade do universo.

Os mais recentes avanços da Google na computação quântica estão centrados no chip Willow. Comparado com o anterior chip Sycamore, o chip Willow possui 105 qubits, o dobro do número de qubits do Sycamore. No entanto, a verdadeira inovação reside no número de qubits e na sua qualidade. O tempo de coerência dos qubits do Willow, conhecido como tempo T1, foi significativamente melhorado, aumentando cerca de cinco vezes em comparação com os chips anteriores. Esta melhoria permite que os qubits armazenem informações por um período muito mais longo, o que é sem dúvida um fator chave para garantir precisão e estabilidade, não apenas um aumento significativo em escala.

Anteriormente, um problema central com qubits era a sua fragilidade. Um dos principais desafios na computação quântica é que os qubits são altamente sensíveis a interferências externas, o que resulta em altas taxas de erro (a taxa de erro aumenta acentuadamente à medida que mais qubits são adicionados). O chip Willow introduz uma tecnologia conhecida como Correção de Erro de Código de Superfície, que combina qubits físicos em qubits lógicos mais estáveis, reduzindo significativamente a probabilidade de erros. Isso aborda um desafio chave que permaneceu sem solução por quase 30 anos no campo da computação quântica.

O chip Willow aproveita qubits lógicos, o que permite a autorr correção e reduz significativamente as taxas de erro. O núcleo desta tecnologia é a Correção de Erro Quântico (QEC).

Julian Kelly, Diretor de Hardware de Computação Quântica, Apresenta Willow e Suas Conquistas (Fonte:youtube)

O que é Correção de Erro Quântico?

A correção de erros quânticos (QEC) é um método usado para lidar com erros que ocorrem durante a operação de computadores quânticos. Uma vez que os qubits são extremamente sensíveis - apenas luz dispersa pode causar erros computacionais - as técnicas de correção de erros quânticos são essenciais para reduzir as taxas de erro.

Ao contrário dos computadores tradicionais que utilizam verificações de paridade para corrigir erros, os computadores quânticos não podem medir diretamente o estado de um único qubit para detectar erros. Em vez disso, a QEC utiliza vários qubits físicos para formar um qubit lógico. Mesmo que alguns qubits físicos sejam perturbados, o sistema ainda pode recuperar a informação correta. Em termos simples, a informação está distribuída por vários qubits, em vez de estar concentrada num único qubit, por isso, mesmo que parte dos qubits seja perturbada, os qubits restantes ainda podem fornecer informação suficiente para corrigir o erro.

Os investigadores do Google descobriram que, ao introduzir mais qubits e realizar correção de erros em tempo real, poderiam reduzir significativamente as taxas de erro. Eles publicaram esta descoberta no último número da revista Nature, descrevendo-a como um progresso 'abaixo do limiar'. Isto significa que, à medida que o número de qubits aumenta, a taxa de erro pode diminuir exponencialmente, marcando um marco importante na história da computação quântica.

Aplicações da Computação Quântica

Desenvolvimento de Medicamentos e Ciência dos Materiais

A computação quântica pode simular estruturas moleculares para ajudar os investigadores a prever rapidamente interações moleculares, acelerando assim a descoberta de novos medicamentos e materiais, tais como:

• Design de Medicamentos: A computação quântica tem o potencial de revolucionar o design de medicamentos ao simular os processos de dobragem de proteínas, acelerando significativamente o desenvolvimento de tratamentos contra o cancro ou vacinas. Por exemplo, durante o desenvolvimento de vacinas para a COVID-19, a computação quântica desempenhou um papel essencial na análise de estruturas proteicas. A tecnologia inspirada na computação quântica da Fujitsu foi capaz de analisar triliões de moléculas e identificar candidatos a medicamentos promissores em apenas oito semanas, reduzindo dramaticamente o período típico de descoberta de medicamentos.
• Ciência dos Materiais: Pesquise novos materiais supercondutores ou tecnologias de baterias da próxima geração para melhorar a eficiência e a vida útil das baterias de veículos elétricos.

Modelagem do Clima e Ciências Ambientais

A computação quântica pode simular os processos complexos das alterações climáticas para ajudar os investigadores a compreender as mudanças ambientais e encontrar soluções:

• Simulação Climática: Prever tendências futuras de aquecimento global e fornecer dados para apoiar a formulação de políticas de redução de emissões.
• Otimização da Distribuição de Energia: Auxiliar os investigadores no desenho de sistemas de rede elétrica mais eficientes para otimizar a distribuição de energia e reduzir o desperdício. Por exemplo, a Fujitsu associou-se ao Porto de Hamburgo para utilizar a computação inspirada na física quântica na otimização dos sinais de trânsito na área do porto. Isto reduz a congestão e a poluição, levando a uma utilização de energia mais eficiente.

Novas Energias e Fusão Nuclear

A computação quântica pode simular o comportamento atómico e molecular, acelerando a investigação em tecnologia de fusão nuclear e o desenvolvimento de sistemas energéticos mais eficientes:

• Simulação de Reação de Fusão Nuclear: A computação quântica ajuda os investigadores a compreender as condições complexas necessárias para as reações de fusão nuclear, desempenhando um papel fundamental no avanço da revolução da energia limpa.
• Melhoria da tecnologia das baterias: Ao simular reações químicas a nível molecular, a computação quântica pode ajudar a conceber baterias mais eficientes e amigas do ambiente. Por exemplo, a Daimler, em colaboração com a IBM, utilizou a computação quântica para simular o comportamento das moléculas de enxofre, o que contribuiu para o desenvolvimento de baterias de lítio-enxofre de maior desempenho e mais duradouras.

Transporte e Logística

• Agendamento de voos: A IBM utiliza computação quântica para otimizar simultaneamente a gestão da frota, atribuições de tripulação e fatores de passageiros, oferecendo as soluções mais eficientes para acelerar a recuperação das operações de voo.
• Fabricação de Automóveis: Em parceria com a Toyota, a Fujitsu utiliza a tecnologia de têmpera digital para calcular rotas de tráfego em tempo real, reduzindo eficazmente os custos logísticos e melhorando a eficiência operacional.

Hartmut Neven, fundador do Google Quantum AI, apontou que o lançamento do chip Willow marca um avanço significativo para a computação quântica comercialmente viável. Embora a tecnologia ainda esteja em seus estágios iniciais, ela lança uma base sólida para resolver problemas do mundo real no futuro.

A Ameaça da Computação Quântica às Criptomoedas

À medida que a computação quântica continua a evoluir, ela apresenta desafios sem precedentes para a segurança das criptomoedas. Atualmente, a maioria das criptomoedas depende de métodos tradicionais de criptografia de chave pública, como a Criptografia de Curva Elíptica (ECC) e a função de hash SHA-256. No entanto, o imenso poder computacional dos computadores quânticos pode potencialmente minar completamente esses padrões de criptografia existentes.

1.O Risco da Descodificação da Encriptação de Chave Pública

• Os métodos tradicionais de criptografia de chave pública, como RSA e ECC, dependem da dificuldade computacional de problemas como fatoração primária e logaritmos discretos para garantir a segurança.
• O Algoritmo de Shor da computação quântica pode resolver esses problemas de forma exponencialmente mais rápida, tornando os métodos de criptografia atuais vulneráveis. Isso poderia potencialmente permitir que hackers contornassem as medidas de segurança, obtendo acesso às chaves privadas dos usuários e comprometendo seus ativos digitais.

2. O Risco dos Algoritmos de Hash

• O mecanismo de prova de trabalho (PoW) do Bitcoin depende da função de hash SHA-256 para garantir a integridade das transações.
• O Algoritmo de Grover da computação quântica pode acelerar o processo de quebra do SHA-256 por um fator de raiz quadrada. Embora isso não seja tão catastrófico quanto o Algoritmo de Shor na criptografia de chave pública, ainda poderia enfraquecer a segurança das criptomoedas.

3. Questões de Segurança de Transações

• Os detalhes da transação são registados publicamente na blockchain em criptomoedas como o Bitcoin. Os hackers poderiam aproveitar a computação quântica para quebrar as chaves privadas de transações que ainda não foram confirmadas, permitindo-lhes iniciar transações não autorizadas.
• Esta vulnerabilidade de "atacar primeiro, confirmar depois" coloca ativos digitais em risco e pode minar a integridade geral e a confiabilidade da rede blockchain.

De acordo com um relatório do Instituto Hudson, se os computadores quânticos conseguirem quebrar a segurança do Bitcoin, isso poderia resultar em mais de $3 trilhões em perdas de mercado, potencialmente causando tumulto nos mercados financeiros globais. Esse risco só irá aumentar à medida que o Bitcoin e outras criptomoedas continuarem a ganhar adoção generalizada como ativos de investimento. No entanto, a pesquisa indica que um computador quântico poderoso o suficiente para quebrar a criptografia do Bitcoin ainda está a pelo menos uma década de distância. Apesar disso, a ameaça continua sendo uma preocupação de longo prazo. Se a comunidade de desenvolvimento do Bitcoin falhar em atualizar seus protocolos de segurança a tempo, poderá enfrentar riscos significativos no futuro. Enquanto as técnicas criptográficas atuais das criptomoedas continuam eficazes em ambientes de computação tradicional, a potência computacional dos computadores quânticos poderia eventualmente perturbar esse equilíbrio.

Estratégias e Direções para Criptomoedas em Resposta à Computação Quântica

À medida que a computação quântica avança, a comunidade de criptomoedas e as instituições de pesquisa estão a explorar ativamente estratégias para proteger os ativos digitais e garantir o desenvolvimento estável da tecnologia blockchain. Estas estratégias incluem a atualização de técnicas criptográficas, a melhoria de protocolos blockchain, o reforço de medidas de segurança de transações, o estabelecimento de regulamentações e padrões, e a criação de estruturas de monitorização e colaboração a longo prazo.

Desenvolvimento de Criptografia Pós-Quântica (PQC)

Como mencionado anteriormente, dado que as tecnologias de criptografia atuais (como RSA e ECC) podem ser comprometidas por computadores quânticos, o desenvolvimento da Criptografia Pós-Quântica (PQC) tornou-se um foco central. O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) está liderando esforços para estabelecer padrões de criptografia pós-quântica, que incluem:

• Encriptação baseada em reticulados: Técnicas como Kyber e NTRU, que aproveitam a teoria dos reticulados para fornecer segurança, foram selecionadas pelo NIST como padrões criptográficos pós-quânticos.
• Encriptação baseada em hash: Um exemplo é SPHINCS+, que é adequado para assinaturas digitais e oferece proteção robusta contra ataques de computação quântica.
• Criptografia de polinómios multivariados: Esta abordagem baseia-se na complexidade de resolver equações polinomiais multivariadas para manter a segurança.

Atualização de Protocolos Blockchain e Integração de Tecnologias

Além de desenvolver novas técnicas criptográficas, os protocolos de blockchain devem ser atualizados para atender às demandas de segurança da era quântica. Os principais projetos de blockchain estão atualmente explorando as seguintes tecnologias:

• Bitcoin: A comunidade está a investigar como integrar assinaturas pós-quânticas (como assinaturas Lamport e assinaturas Winternitz) na rede Bitcoin para garantir a segurança das transações.
• Ethereum: Pesquisando tecnologias de prova de conhecimento zero como zk-SNARKs e STARKs, que irão melhorar a privacidade e reduzir a dependência de técnicas criptográficas tradicionais.
• Blockchain resistente à computação quântica: Projetos como Quantum-Resistant Ledger (QRL) e QANplatform estão focados no desenvolvimento de tecnologias blockchain resistentes a ataques quânticos, protegendo a segurança de transações e dados ao nível arquitetural.
• Otimização dos Mecanismos de Consenso Blockchain: A introdução de novos algoritmos de consenso, como o Proof of Stake (PoS) resistente a quântica, visa garantir a estabilidade e segurança a longo prazo dos sistemas descentralizados face às ameaças quânticas.

Reforçar a Segurança da Transação e da Chave Privada

Dado o potencial dos computadores quânticos para minar a criptografia tradicional, é crucial fortalecer ainda mais a segurança das transações de criptomoedas e chaves privadas.

• Tecnologia de Multisig: Isto requer várias chaves privadas para autorizar uma transação, aumentando a segurança e minimizando o risco de vulnerabilidades de ponto único.
• Esquema de Assinatura de Limiar (TSS): Esta abordagem divide a chave privada em várias partes, distribuídas por vários dispositivos. Isso torna mais difícil para os hackers comprometerem uma única chave usando computação quântica.
• Reduzir o Tempo de Confirmação da Transação: Ao otimizar a eficiência da rede, o tempo necessário para confirmar transações pode ser encurtado, reduzindo assim a janela de exposição das chaves privadas na rede.

Estabelecimento de Regulamentos e Normas

• Desenvolvimento de Normas Globais: Os organismos governamentais e as organizações internacionais, como o NIST e o ISO, devem trabalhar em estreita colaboração com as empresas de tecnologia para criar normas unificadas de criptografia pós-quântica. Este esforço colaborativo ajudará a garantir uma melhoria global das medidas de segurança no mercado de criptomoedas.
• Regulamentação para Riscos Quânticos: As autoridades reguladoras devem implementar diretrizes que exijam que as bolsas de criptomoedas e os fornecedores de carteiras adotem mecanismos resistentes à computação quântica. Essas regulamentações serão cruciais para proteger os interesses dos investidores.

Conclusão

O desenvolvimento da computação quântica atingiu uma fase crucial, com o chip Willow da Google nos aproximando da era quântica. Embora isso represente um salto tecnológico, também representa uma ameaça significativa para a segurança das criptomoedas e dos sistemas financeiros. Especialistas preveem que computadores quânticos capazes de quebrar a criptografia do Bitcoin ainda podem estar a 10 ou 20 anos de distância, mas a corrida já está em andamento. Arthur Herman, pesquisador do Instituto Hudson, alertou que ataques de hackers quânticos são como uma bomba-relógio. Uma vez que ocorram, poderão resultar em perdas de até $3 trilhões em valor de mercado e potencialmente desencadear uma crise financeira. À medida que o valor do Bitcoin se aproxima de $100.000, ele se torna um alvo mais atraente para hackers. Será crucial para a comunidade de blockchain, instituições acadêmicas e reguladores governamentais colaborar na promoção da criptografia pós-quântica (PQC) e na atualização da infraestrutura de blockchain existente, protegendo assim os ativos digitais. Nessa corrida contra o tempo, aqueles que tomarem medidas proativas estarão melhor posicionados para prosperar na era quântica.