Uma explicação simples sobre o que realmente é a computação quântica, e por que ela é assustadora para o bitcoin

Nesta semana, a Google publicou um artigo descrevendo como um computador quântico poderia, teoricamente, derivar uma chave privada de bitcoin em 9 minutos, com ramificações que se estendem até Ethereum, outros tokens, banking privado e, potencialmente, tudo no mundo.

Computação quântica é facilmente confundida com uma versão mais rápida de um computador comum. Mas não se trata de um chip mais poderoso ou de uma fazenda de servidores maior. É uma máquina fundamentalmente diferente, distinta ao nível do próprio átomo.

Um computador quântico começa com um circuito muito frio e muito pequeno de metal onde as partículas começam a se comportar de formas que não ocorrem nas condições normais da Terra, maneiras que alteram o que pensamos como as regras básicas da física.

Compreender o que isso significa, fisicamente, é a diferença entre ler sobre a ameaça quântica e realmente entendê-la.

Como computadores e computadores quânticos realmente funcionam

Computadores regulares armazenam informações como bits — cada um é 0 ou 1. Um bit é um pequeno interruptor. Fisicamente, é um transistor em um “chip” — um portão microscópico que permite a passagem de eletricidade (1) ou não (0).

Cada foto, cada transação de bitcoin, cada palavra que você já digitou é armazenada como padrões desses interruptores ligados ou desligados. Não há nada de misterioso em um bit; é um objeto físico em um dos dois estados definidos.

Cada cálculo é apenas a realocação desses 0s e 1s de forma extremamente rápida. Um chip moderno pode realizar bilhões desses por segundo, mas ainda assim os executa um de cada vez, em sequência.

Computadores quânticos utilizam algo conhecido como qubits em vez de bits. Um qubit pode ser 0, 1, ou — e esta é a parte estranha — ambos ao mesmo tempo!

Isto é possível pois um qubit é um tipo completamente diferente de objeto físico. A versão mais comum, e a que o Google utiliza, é um pequeno circuito de metal supercondutor resfriado a aproximadamente 0,015 graus acima do zero absoluto, mais frio que o espaço sideral, porém aqui na Terra.

A essa temperatura, a eletricidade flui através do circuito sem qualquer resistência, e a corrente é considerada existente em um estado quântico.

No circuito supercondutor, a corrente pode fluir no sentido horário (chame isso de 0) ou no sentido anti-horário (chame isso de 1). Mas em escalas quânticas, a corrente não precisa escolher uma direção e, na verdade, flui em ambas as direções simultaneamente.

Não o confunda com a troca rápida entre os dois. O corrente está mensurável, experimentalmente e verificavelmente em ambos os estados simultaneamente.

Física intrigante

Consegue acompanhar até aqui? Ótimo, porque é aqui que as coisas realmente ficam estranhas, já que a física por trás do funcionamento não é imediatamente intuitiva, e não deveria ser.

Tudo com o que alguém interage no dia a dia obedece à física clássica, que assume que as coisas estão em um lugar em um determinado momento. Mas as partículas não se comportam dessa forma na escala subatômica.

Um elétron não possui uma posição definida até que você o observe. Um fóton não tem uma polarização definida até que você a meça. Uma corrente em um circuito supercondutor não flui em uma direção definida até que você a force a escolher.

A razão pela qual não experimentamos isso no cotidiano é o decoerência. Quando um sistema quântico interage com seu ambiente, moléculas de ar, calor, vibrações e luz, a superposição colapsa quase que instantaneamente.

Uma bola de futebol não pode estar em dois lugares ao mesmo tempo porque está interagindo com trilhões de moléculas de ar, poeira, som, calor, gravidade, etc., a cada nanossegundo. Mas isole uma corrente minúscula em um vácuo próximo do zero absoluto, proteja-a de todas as possíveis interferências, e o comportamento quântico sobrevive tempo suficiente para realizar cálculos.

É por isso que os computadores quânticos são tão difíceis de construir. Os especialistas estão projetando ambientes físicos onde as leis da física que normalmente impedem que isso aconteça ficam suspensas tempo suficiente para executar um cálculo.

As máquinas do Google operam em refrigeradores de diluição do tamanho de enormes salas, mais frios do que qualquer coisa no universo natural, cercados por camadas de blindagem contra ruído eletromagnético, vibração e radiação térmica.

E os qubits são frágeis mesmo então. Eles perdem seu estado quântico constantemente, por isso a "correção de erros" domina todas as conversas sobre escalabilidade.

Portanto, a computação quântica não é uma versão mais rápida da computação clássica. Ela explora um conjunto diferente de leis físicas que se aplicam apenas em escalas extremamente pequenas, temperaturas extremamente baixas e intervalos de tempo extremamente curtos.

Agora some isso.

Dois bits comuns podem estar em um dos quatro estados (00, 01, 10, 11), mas apenas um estado por vez (já que a corrente flui em apenas uma direção). Dois qubits podem representar todos os quatro estados simultaneamente, pois a corrente flui em todas as direções ao mesmo tempo.

Três qubits representam oito estados. Dez qubits representam 1.024. Cinquenta qubits representam mais de um quatrilhão. O número dobra a cada qubit adicionado, razão pela qual o crescimento é tão exponencial.

O segundo truque é algo chamado emaranhamento. Quando dois qubits estão emaranhados, medir um informa instantaneamente ao observador algo sobre o outro, independentemente da distância entre eles. Isso permite que um computador quântico se coordene entre todos esses estados simultâneos de uma forma que a computação paralela tradicional não consegue.

E esses computadores quânticos são configurados de modo que respostas erradas se cancelam mutuamente (como ondas sobrepostas que se achatam) e respostas corretas se reforçam (como ondas que se empilham mais alto). Ao final da computação, a resposta correta possui a maior probabilidade de ser medida.

Portanto, não se trata de velocidade de força bruta. É uma abordagem fundamentalmente diferente para o cálculo — uma que permite à natureza explorar um espaço exponencialmente grande de possibilidades e, em seguida, colapsar para a resposta correta por meio da física, e não da lógica.

Uma ameaça monumental à criptografia

Essa física alucinante é o motivo pelo qual é assustador para a criptografia.

A matemática que protege o bitcoin baseia-se na suposição de que verificar todas as chaves possíveis levaria mais tempo do que a idade do universo.

Mas um computador quântico não verifica cada chave individualmente. Ele explora todas simultaneamente e usa interferência para revelar a correta.

É aí que entra o Bitcoin. Ir em uma direção, da chave privada para a chave pública, leva milissegundos. Ir na outra direção, da chave pública de volta para a chave privada, levaria um computador clássico um milhão de anos, ou até mais do que a idade do universo. Essa assimetria é a única coisa que prova que uma pessoa está segurando suas moedas.

Um computador quântico executando um algoritmo chamado Shor pode passar por essa porta dos fundos em sentido inverso. O artigo do Google desta semana mostrou que isso pode ser feito com muito menos recursos do que qualquer estimativa anterior, e dentro de um prazo que compete com as confirmações de blocos do bitcoin.

É por isso que a ameaça de computadores quânticos quebrarem a criptografia blockchain está realmente deixando todos muito preocupados.

Como esse ataque funciona passo a passo, o que o artigo do Google especificamente alterou e o que isso significa para os 6,9 milhões de bitcoins já expostos, é o tema da próxima matéria desta série.