Chip Willow da Google (Fonte:reversepcb)

Google Willow Chip Launch (Fonte:reversepcb)

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

O que é Computação Quântica?

A computação quântica é uma abordagem computacional inovadora fundamentada 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 exibir correlações intrincadas através do emaranhamento quântico.

Essa propriedade única permite que os computadores quânticos resolvam problemas específicos em velocidades exponencialmente mais rápidas. Por exemplo, tarefas como a fatoração de números primos, que poderiam levar milhões de anos para os computadores tradicionais, poderiam ser concluídas usando a computação quântica em segundos ou minutos. Essas 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 estar simultaneamente 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 múltiplas possibilidades simultaneamente, melhorando significativamente a eficiência.

2. Emaranhamento:

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

3. Interferência:

   • Computadores quânticos podem manipular a fase dos estados quânticos para aumentar a probabilidade de respostas corretas, ao mesmo tempo que reduzem a probabilidade de respostas incorretas. Essa capacidade aumenta ainda mais a velocidade e a precisão dos cálculos.

Se a computação quântica fosse comparada a um processo de solução de labirinto, 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 cada caminho simultaneamente até que a saída seja encontrada.

Avanço tecnológico do chip Willow da Google

Os dois feiores conquistas mais significantes do chip Willow do Google são as 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 uma computação de referência padrão em menos de cinco minutos, uma tarefa que levaria um dos supercomputadores mais rápidos de hoje 10 quintilhões de anos (1025 anos) - um número muito maior do que a idade do universo.

Os mais recentes avanços da Google na computação quântica estão centrados no chip Willow. Em comparação com o chip anterior Sycamore, o chip Willow apresenta 105 qubits, o dobro do número do Sycamore. No entanto, a verdadeira inovação está 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 autcorreção e reduz muito as taxas de erro. O núcleo desta tecnologia é a Correção de Erro Quântico (CEQ).

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

O que é a 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. Como 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 usam 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, o QEC utiliza múltiplos 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 é distribuída entre vários qubits, em vez de concentrada em um único qubit, então mesmo que parte dos qubits seja perturbada, os qubits restantes ainda podem fornecer informações suficientes para corrigir o erro.

Pesquisadores do Google descobriram que, introduzindo mais qubits e realizando correção de erros em tempo real, poderiam reduzir significativamente as taxas de erro. Eles publicaram essa descoberta na última edição da revista Nature, descrevendo-a como um progresso 'abaixo do limiar'. Isso 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 pesquisadores a prever rapidamente interações moleculares, acelerando assim a descoberta de novos medicamentos e materiais, como:

• Design de medicamentos: A computação quântica tem o potencial de revolucionar o design de medicamentos ao simular processos de dobramento de proteínas, acelerando significativamente o desenvolvimento de tratamentos contra o câncer ou vacinas. Por exemplo, durante o desenvolvimento de vacinas COVID-19, a computação quântica desempenhou um papel essencial na análise de estruturas de proteínas. A tecnologia de inspiração quântica da Fujitsu foi capaz de peneirar trilhões de moléculas e identificar candidatos a medicamentos promissores em apenas oito semanas, reduzindo drasticamente o cronograma típico de descoberta de drogas.
• Ciência dos Materiais: Pesquise novos materiais supercondutores ou tecnologias de bateria de próxima geração para melhorar a eficiência e a vida útil da bateria de veículos elétricos.

Modelagem do Clima e Ciência Ambiental

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

• Simulação do Clima: Prever tendências futuras de aquecimento global e fornecer dados para apoiar a formulação de políticas de redução de emissões.
• Otimização da Distribuição de Energia: Auxiliando pesquisadores no projeto de sistemas de grade de energia mais eficientes para otimizar a distribuição de energia e reduzir o desperdício. Por exemplo, a Fujitsu se associou ao Porto de Hamburgo para usar computação inspirada na quântica para otimizar os sinais de trânsito na área do porto. Isso reduz a congestão e a poluição, levando a um uso de energia mais eficiente.

Nova Energia e Fusão Nuclear

Computação quântica pode simular o comportamento atômico e molecular, acelerando a pesquisa em tecnologia de fusão nuclear e no desenvolvimento de sistemas de energia mais eficientes:

• Simulação de Reação de Fusão Nuclear: A computação quântica ajuda os pesquisadores a entender as condições complexas necessárias para as reações de fusão nuclear, desempenhando um papel fundamental no avanço da revolução da energia limpa.
• Melhoria da Tecnologia de Baterias: Ao simular reações químicas em nível molecular, a computação quântica pode ajudar a projetar baterias mais eficientes e ecologicamente corretas. Por exemplo, a Daimler, em colaboração com a IBM, aproveitou a computação quântica para simular o comportamento de moléculas de enxofre, o que contribuiu para o desenvolvimento de baterias de lítio-enxofre de alto desempenho e maior durabilidade.

Transporte e Logística

• Agendamento de voos: A IBM utiliza computação quântica para otimizar simultaneamente o gerenciamento da frota, atribuições de tripulação e fatores de passageiros, fornecendo 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 recozimento digital para calcular rotas de tráfego em tempo real, reduzindo efetivamente 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 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 Decifração da Criptografia de Chave Pública

• Métodos tradicionais de criptografia de chave pública, como RSA e ECC, dependem da dificuldade computacional de problemas como a fatorização de números primos e logaritmos discretos para garantir 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 da transação.
• O Algoritmo de Grover da computação quântica pode acelerar o processo de quebra do SHA-256 em um fator de raiz quadrada. Embora isso não seja tão catastrófico quanto o Algoritmo de Shor na criptografia de chave pública, ainda pode enfraquecer a segurança das criptomoedas.

3. Problemas de Segurança de Transação

• Os detalhes da transação são registrados publicamente no blockchain em criptomoedas como o Bitcoin. Hackers poderiam aproveitar a computação quântica para quebrar as chaves privadas de transações que ainda não foram confirmadas, permitindo-lhes iniciar transações não autorizadas.
• Essa 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 turbulência nos mercados financeiros globais. Esse risco só aumentará à medida que o Bitcoin e outras criptomoedas continuarem a ganhar adoção mainstream como ativos de investimento. No entanto, pesquisas indicam 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 permanece como uma preocupação de longo prazo. Se a comunidade de desenvolvimento do Bitcoin não atualizar seus protocolos de segurança a tempo, ela poderia enfrentar riscos significativos no futuro. Enquanto as técnicas criptográficas atuais das criptomoedas continuam eficazes em ambientes de computação tradicionais, o poder computacional dos computadores quânticos eventualmente poderia 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 explorando ativamente estratégias para proteger os ativos digitais e garantir o desenvolvimento estável da tecnologia blockchain. Essas estratégias incluem a atualização de técnicas criptográficas, o aprimoramento de protocolos de blockchain, o fortalecimento de medidas de segurança de transações, o estabelecimento de regulamentos e padrões e a criação de estruturas de monitoramento e colaboração de longo prazo.

Desenvolvendo 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:

• Criptografia 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.
• Criptografia baseada em hash: Um exemplo é SPHINCS+, que é adequado para assinaturas digitais e oferece proteção robusta contra ataques de computação quântica.
• Criptografia polinomial multivariada: Essa abordagem se baseia na complexidade de resolver equações polinomiais multivariadas para manter a segurança.

Atualizando Protocolos de Blockchain e Integrando Tecnologias

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

• Bitcoin: A comunidade está investigando como integrar assinaturas pós-quânticas (como assinaturas de Lamport e assinaturas de Winternitz) na rede Bitcoin para garantir a segurança das transações.
• Ethereum: Pesquisando tecnologias à prova de conhecimento zero, como zk-SNARKs e STARKs, que aumentarão a privacidade e reduzirão 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 no nível arquitetônico.
• Otimizando Mecanismos de Consenso Blockchain: A introdução de novos algoritmos de consenso, como o Proof of Stake (PoS) resistente a quantum, tem como objetivo garantir a estabilidade e segurança de longo prazo de sistemas descentralizados diante de ameaças quânticas.

Fortalecendo 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 multi-assinatura: Isso 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 em vários dispositivos. Isso torna mais difícil para os hackers comprometerem uma única chave usando computação quântica.
• Redução do tempo de confirmação de transações: Ao otimizar a eficiência da rede, o tempo necessário para confirmar as transações pode ser reduzido, reduzindo assim a janela de exposição para chaves privadas na rede.

Estabelecendo Regulamentos e Normas

• Desenvolvimento de Padrões Globais: Órgãos governamentais e organizações internacionais, como NIST e ISO, devem trabalhar em estreita colaboração com empresas de tecnologia para criar padrões unificados de criptografia pós-quântica. Esse esforço colaborativo ajudará a garantir um aprimoramento global das medidas de segurança dentro do mercado de criptomoedas.
• Regulamentos para Riscos Quânticos: As autoridades reguladoras devem implementar diretrizes que exijam que as exchanges de criptomoedas e os provedores de carteiras adotem mecanismos resistentes à computação quântica. Esses regulamentos serão cruciais para proteger os interesses dos investidores.

Conclusão

O desenvolvimento da computação quântica atingiu um estágio crucial, com o chip Willow do Google nos aproximando da era quântica. Enquanto isso marca um salto tecnológico, também representa uma ameaça significativa à segurança das criptomoedas e dos sistemas financeiros. Especialistas preveem que computadores quânticos capazes de quebrar a criptografia do Bitcoin ainda podem estar a 10 a 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, podem 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, torna-se um alvo mais atraente para hackers. Será crucial para a comunidade blockchain, instituições acadêmicas e reguladores governamentais colaborarem na promoção da criptografia pós-quântica (PQC) e na atualização da infraestrutura 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.