O que é quantum computing? Uma explicação simples

O que é quantum computing em palavras simples?

Quantum computing é a forma como os computadores quânticos executam cálculos. Um computador quântico é, portanto, o dispositivo, enquanto quantum computing se refere à tecnologia e ao método de cálculo por trás desta.

Um computador quântico funciona de forma diferente de um computador clássico. Enquanto um computador normal trabalha com bits que são 0 ou 1, um computador quântico usa qubits.

Estes qubits podem processar informação de uma forma diferente. Por isso, os computadores quânticos podem abordar de outra maneira alguns problemas muito específicos do que os computadores normais. Pense, por exemplo, no cálculo de moléculas para investigação de novos medicamentos e materiais, ou em certos problemas matemáticos que exigem muito processamento dos computadores clássicos.

Isto não significa que um computador quântico seja automaticamente mais rápido. Para tarefas comuns, como navegar na internet, fazer videochamadas, usar folhas de cálculo ou executar servidores, um computador clássico continua a ser muito mais adequado.

Por isso, os computadores quânticos provavelmente não substituirão os computadores normais. Na prática, ambos os tipos de computadores serão mais provavelmente usados lado a lado, sendo um computador quântico utilizado apenas para problemas para os quais esta abordagem possa realmente oferecer vantagem.

Pontos principais

• Quantum computing usa qubits em vez de apenas bits normais.
• Os qubits podem apresentar propriedades como superposição e emaranhamento quântico.
• Um computador quântico não é mais rápido do que um computador clássico para todas as tarefas.
• A técnica pode ser especialmente útil para problemas complexos específicos.
• Um computador quântico suficientemente poderoso pode, a prazo, representar riscos para a criptografia e as criptomoedas.

Como funciona o quantum computing?

Um computador quântico executa um cálculo com qubits. Primeiro, estes qubits são colocados num determinado estado inicial. Depois, o computador executa operações sobre os qubits e, no final, estes são medidos.

Estas operações chamam-se portas quânticas, ou gates. Pode vê-las como instruções que alteram o estado de um qubit. Ao executar várias destas instruções em sequência, forma-se um algoritmo quântico.

Durante um cálculo, os qubits também podem influenciar-se mutuamente. Os algoritmos quânticos usam isso para aumentar ou diminuir a probabilidade de determinados resultados. O objetivo é que o resultado desejado apareça com mais frequência quando os qubits são medidos.

Após a medição, obtêm-se valores normais, como 0 e 1. Um computador quântico, portanto, não fornece automaticamente todas as respostas possíveis ao mesmo tempo. O algoritmo tem de ser construído de forma a que um resultado útil tenha uma grande probabilidade de ser medido.

O que são qubits?

Um qubit é a unidade básica com que um computador quântico processa informação. Pode comparar um qubit com um bit num computador normal.

Um bit normal é 0 ou 1. Um qubit funciona de forma diferente. Antes de o medir, o seu estado pode ser tal que tanto 0 como 1 sejam resultados possíveis. Só quando mede o qubit é que vê um resultado: 0 ou 1.

Os qubits não são componentes normais de computador. Os investigadores podem, por exemplo, criá-los com circuitos elétricos muito pequenos, átomos, iões ou partículas de luz.

O grande problema é que os qubits são muito sensíveis ao seu ambiente. O calor, as vibrações e o ruído eletromagnético podem perturbar um cálculo. Por isso, é difícil construir computadores quânticos grandes que consigam calcular de forma fiável durante tempo suficiente.

O que é a superposição (superposition)?

Superposição é o nome do fenómeno em que um qubit, antes da medição, não está simplesmente fixado em 0 ou 1.

Pode vê-lo como vários resultados possíveis que fazem parte do mesmo estado quântico. Na medição, acaba por ver apenas um resultado.

Com dois qubits, por exemplo, são possíveis quatro resultados:

• 00
• 01
• 10
• 11

Um computador quântico pode, durante o cálculo, trabalhar com um estado em que todas estas possibilidades desempenham um papel. Isto não significa, porém, que no final possa ler as quatro respostas ao mesmo tempo. Após uma medição, obtém um resultado.

Por isso, um algoritmo quântico tem de orientar o cálculo de forma a que um resultado útil tenha uma maior probabilidade de ser medido.

Exemplo: Suponha que dois qubits podem, no final, produzir 00, 01, 10 ou 11. Um bom algoritmo quântico tenta tornar o mais elevada possível a probabilidade do resultado desejado, por exemplo 10.

O que é o emaranhamento quântico (quantum entanglement)?

No emaranhamento quântico, dois ou mais qubits ficam tão ligados entre si que já não é possível descrever completamente o seu estado separadamente.

Suponha, por exemplo, que dois qubits estão tão emaranhados que, numa medição, obtém sempre 00 ou 11. Se medir o primeiro qubit como 0, então, neste exemplo, o outro também será medido como 0. Se obtiver 1, o outro também dará 1.

Os computadores quânticos podem usar estas relações durante os cálculos. Em conjunto com a superposição e outros fenómenos quânticos, isto permite cálculos que funcionam de forma diferente dos de um computador clássico.

O emaranhamento quântico não significa, aliás, que possa transmitir informação mais depressa do que a luz. Isto porque não pode determinar por si próprio qual será o resultado da medição.

Qual é a diferença entre computadores quânticos e computadores clássicos?

A diferença mais importante é que um computador clássico funciona com bits, enquanto um computador quântico usa qubits. Um bit normal é 0 ou 1. Um qubit funciona segundo as regras da mecânica quântica e, por isso, pode processar informação de outra forma.

Os computadores quânticos usam fenómenos como a superposição (superposition) e o emaranhamento quântico (quantum entanglement). Também trabalham com operações especiais, chamadas portas quânticas ou gates.

Isto não significa que um computador quântico seja automaticamente melhor ou mais rápido. Para a maioria das tarefas do dia a dia, os computadores clássicos são muito mais adequados. Pense em navegar na internet, processar ficheiros, fazer videochamadas ou executar servidores.

Os computadores quânticos são especialmente interessantes para um número limitado de problemas para os quais existem algoritmos quânticos especiais.

Outra diferença é que os qubits são muito mais sensíveis a perturbações do que os bits normais. O calor, o ruído eletromagnético e outras influências do ambiente podem causar erros. Por isso, é difícil construir computadores quânticos grandes que continuem a calcular de forma fiável durante tempo suficiente.

Também o número de qubits, por si só, não diz quanto um computador quântico consegue fazer. Por exemplo, também importa com que frequência ocorrem erros, quão bem os qubits conseguem trabalhar em conjunto e quão bem esses erros podem ser corrigidos.

No futuro, os computadores quânticos e os computadores clássicos provavelmente serão usados lado a lado. Um computador clássico pode, por exemplo, fazer o processamento e o controlo normais, enquanto um computador quântico executa apenas uma parte específica de um cálculo difícil.

Para que pode ser usado o quantum computing?

O quantum computing pode ser especialmente interessante para problemas que são muito difíceis para os computadores clássicos.

Um exemplo importante é a simulação da própria natureza. As moléculas e os materiais comportam-se, em escalas muito pequenas, segundo a mecânica quântica. Por isso, um computador quântico pode, em teoria, ser adequado para reproduzir estes sistemas.

As possíveis aplicações incluem, por exemplo:

• investigação de novos medicamentos;
• descoberta de novos materiais;
• simulação de reações químicas;
• certos problemas de planeamento e otimização;
• certos cálculos matemáticos e criptográficos.

Na otimização, pode pensar, por exemplo, na procura de uma boa rota, no planeamento da produção ou na distribuição logística. Há muita investigação nesta área, mas os computadores quânticos ainda não demonstraram uma vantagem prática comprovada para todos os tipos de problemas de otimização.

Um exemplo conhecido da matemática é o algoritmo de Shor. Trata-se de um algoritmo quântico com o qual um computador quântico suficientemente poderoso poderia resolver certos problemas matemáticos de forma muito mais eficiente do que os métodos clássicos conhecidos.

Isto é especialmente importante para criptografia, porque alguns métodos de segurança dependem precisamente do facto de estes cálculos serem extremamente difíceis para os computadores normais.

Muitas aplicações do quantum computing ainda se encontram na fase de investigação. Uma experiência em que um computador quântico executa melhor uma tarefa específica não significa, portanto, que essa tecnologia já seja imediatamente utilizável por empresas ou consumidores.

Que impacto tem o quantum computing na criptografia?

O quantum computing pode, no futuro, ter consequências para algumas formas de criptografia.

A criptografia de chave pública (public-key cryptography) é especialmente importante. Neste caso, tem uma chave pública que pode partilhar com outras pessoas e uma private key que deve permanecer secreta.

A segurança destes sistemas baseia-se em problemas matemáticos que, para os computadores normais, não podem ser resolvidos de forma prática dentro de um prazo útil.

Um computador quântico suficientemente poderoso poderia resolver alguns desses problemas de forma muito mais eficiente com o algoritmo de Shor. Isso pode tornar vulneráveis certas formas de encriptação e assinaturas digitais.

Isto pode ter consequências de duas formas.

Na encriptação, alguém pode eventualmente desencriptar informação que deveria permanecer secreta.

Nas assinaturas digitais, alguém pode eventualmente falsificar uma assinatura válida sem possuir a verdadeira private key.

Nem toda a criptografia é afetada da mesma forma. A encriptação simétrica e as funções hash não são atacadas da mesma forma fundamental pelo algoritmo de Shor.

Para estes sistemas, o algoritmo de Grover é especialmente relevante. Este pode acelerar certos problemas de procura em teoria, o que pode exigir uma margem de segurança maior.

Atualmente, ainda não existe um computador quântico que consiga quebrar, de forma prática e em grande escala, a criptografia amplamente utilizada.

Ainda assim, já existe um risco para informação que tem de permanecer secreta durante muitos anos. Um atacante pode guardar hoje dados encriptados e esperar desencriptá-los mais tarde com um computador quântico mais poderoso. Isto chama-se harvest now, decrypt later.

Que métodos criptográficos podem tornar-se vulneráveis?

Sobretudo a criptografia que assenta na fatorização ou no problema do logaritmo discreto pode tornar-se vulnerável para um computador quântico suficientemente poderoso.

O RSA é um exemplo conhecido. A segurança do RSA baseia-se no facto de ser muito difícil para os computadores normais decompor números muito grandes nos seus fatores.

Também o Diffie-Hellman, o ECDH, o DSA, o ECDSA e as assinaturas Schnorr podem tornar-se vulneráveis.

Muitas destas técnicas usam o problema do logaritmo discreto. Trata-se de um problema matemático difícil para os computadores clássicos, mas para o qual o algoritmo de Shor oferece uma abordagem muito mais eficiente.

Para as criptomoedas, a criptografia de curva elíptica, abreviada ECC, é especialmente importante. Muitas blockchains usam ECC para criar assinaturas digitais.

Com uma assinatura destas, prova que tem autorização para executar uma transação sem tornar pública a sua private key.

Se um computador quântico futuro conseguisse calcular a private key correspondente a partir de uma chave pública, um atacante poderia eventualmente também falsificar assinaturas válidas.

Outras técnicas, como AES e as funções hash, são afetadas de forma diferente. O algoritmo de Grover pode acelerar certos ataques, mas não quebra estas técnicas da mesma forma que o algoritmo de Shor pode afetar o RSA e a ECC.

Quais são as limitações do quantum computing?

Os computadores quânticos ainda têm grandes limitações técnicas.

Um problema importante é que os qubits são muito sensíveis a perturbações. O calor, a radiação eletromagnética e outro ruído podem alterar o estado quântico.

A perda desse estado quântico desejado chama-se decoerência (decoherence).

Se, durante um cálculo, surgirem demasiados erros, a resposta deixa de ser fiável. Por isso, a correção de erros quânticos (quantum error correction) é importante.

Neste processo, são usados vários qubits físicos para formar em conjunto um qubit lógico mais fiável.

Isto significa que um computador quântico com muitos qubits físicos pode, no final, ter muito menos qubits lógicos úteis.

A escalabilidade também é difícil. Não basta construir simplesmente cada vez mais qubits. Estes também têm de ser bem controlados, conseguir trabalhar em conjunto e permanecer fiáveis durante tempo suficiente.

Além disso, o quantum computing não oferece vantagem para todos os problemas. Tem de existir um algoritmo quântico que consiga abordar o problema de uma forma útil.

Os computadores quânticos, portanto, não são uma substituição geral para os computadores clássicos. Destinam-se sobretudo a tipos específicos de cálculos.

Que riscos traz o quantum computing para as criptomoedas?

Para as criptomoedas, um risco quântico importante está nas assinaturas digitais.

Muitas blockchains usam uma chave pública e uma private key. A private key é usada para assinar transações. A chave pública pode ser usada para verificar essa assinatura.

Um futuro computador quântico poderoso pode, em alguns sistemas criptográficos, calcular a private key correspondente a partir da chave pública.

Um atacante poderia então, eventualmente, criar assinaturas válidas por si próprio e mover criptomoedas sem autorização do verdadeiro proprietário.

A dimensão exata desse risco varia consoante a blockchain.

Depende, por exemplo, de:

• que criptografia a blockchain utiliza;
• quando uma chave pública se torna visível;
• como os utilizadores usam a sua carteira de criptomoedas;
• quão facilmente o protocolo pode ser adaptado.

A transição para uma nova segurança também pode trazer riscos.

Não é apenas a própria blockchain que tem de suportar nova criptografia. As carteiras, as exchanges de criptomoedas, as soluções de custódia e outro software também têm de ser adaptados a tempo.

Além disso, novas assinaturas pós-quânticas podem ser maiores do que as assinaturas atuais. Isso pode ter consequências para o tamanho das transações, o armazenamento, a largura de banda, o tempo de processamento e as fees.

Também os sistemas fora da blockchain podem ser afetados. Pense em comunicações encriptadas, dados armazenados ou outros componentes da infraestrutura em torno das criptomoedas.

Nesses casos, o harvest now, decrypt later pode até tornar-se um problema mais cedo do que na própria blockchain.

O quantum computing pode quebrar o Bitcoin?

Não com os computadores quânticos que existem atualmente.

Para atacar o Bitcoin de forma prática com quantum computing, é necessário um computador quântico muito mais poderoso e tolerante a falhas. Um sistema destes não existe neste momento e não se sabe quando isso mudará.

Bitcoin usa criptografia de curva elíptica para assinaturas digitais.

As transações tradicionais de Bitcoin usam ECDSA com a curva secp256k1. Desde a atualização Taproot, o Bitcoin também suporta assinaturas Schnorr.

Ambas as técnicas podem, em teoria, tornar-se vulneráveis ao algoritmo de Shor.

Um detalhe importante é quando a chave pública se torna visível.

Em determinados endereços Bitcoin, no início está apenas um hash da chave pública na blockchain. Quando gasta o bitcoin, a chave pública completa torna-se visível.

Isto significa que o risco não funciona exatamente da mesma forma para todos os bitcoins.

Por isso, é demasiado simples dizer que um computador quântico irá, de repente, "quebrar o Bitcoin".

Um ataque depende, entre outros fatores, de quão poderoso é o computador quântico, de que chaves públicas estão visíveis, da rapidez com que esse ataque pode ser executado e da forma como a rede Bitcoin reage.

Funções hash como a SHA-256 também não são afetadas da mesma forma que as assinaturas digitais.

O algoritmo de Grover pode, em teoria, acelerar certos ataques, mas esse é um tipo de risco diferente do ataque do algoritmo de Shor à criptografia de curva elíptica.

Como podem as blockchains proteger-se contra computadores quânticos?

A principal solução é substituir a criptografia vulnerável por criptografia que deve ser resistente a ataques quânticos.

Isto chama-se criptografia pós-quântica (post-quantum cryptography).

Para as blockchains, isto significa, por exemplo, que podem ser adicionados novos tipos de endereços e assinaturas digitais.

Os utilizadores podem então transferir as suas criptomoedas para endereços que utilizem essa nova segurança.

Um conceito importante aqui é a crypto-agility. Com isto, pretende-se dizer que um sistema pode substituir a sua segurança criptográfica quando isso for necessário.

Isto não é simples para uma blockchain. O protocolo tem de ser adaptado e as carteiras, as exchanges e outro software têm de suportar as novas regras.

Também os utilizadores existentes têm de ter a possibilidade de transferir as suas criptomoedas em segurança.

No caso do Bitcoin, também pode ajudar não reutilizar desnecessariamente endereços e chaves públicas. Dessa forma, uma chave pública permanece visível durante menos tempo.

Isto, porém, não é uma solução completa. Quando uma transação é emitida, a chave pública pode continuar a tornar-se visível.

Por isso, também existem propostas para preparar melhor o Bitcoin para uma possível ameaça quântica.

Um exemplo é o Pay-to-Merkle-Root, abreviado P2MR. Esta proposta tenta limitar a exposição prolongada de determinadas chaves públicas.

Atualmente, trata-se apenas de uma proposta e não de uma regra ativa do Bitcoin.

Para uma proteção total, seriam, no fim, também necessárias assinaturas digitais resistentes aos ataques quânticos conhecidos.

O que é a criptografia pós-quântica?

A criptografia pós-quântica (post-quantum cryptography), muitas vezes abreviada como PQC, é criptografia concebida para resistir a ataques conhecidos tanto de computadores clássicos como de computadores quânticos.

A PQC funciona normalmente em computadores normais. Portanto, não precisa de um computador quântico para usar criptografia pós-quântica.

Isto é diferente da criptografia quântica (quantum cryptography). Neste caso, são usadas propriedades da própria física quântica, por exemplo para trocar chaves.

Na criptografia pós-quântica, pelo contrário, usa-se nova matemática para proteger melhor os computadores existentes contra futuros ataques quânticos.

Em 2024, foram publicadas as primeiras normas importantes de pós-quântica.

Entre estas contam-se:

• ML-KEM para trocar ou acordar chaves secretas em segurança;
• ML-DSA para assinaturas digitais;
• SLH-DSA para assinaturas digitais baseadas em funções hash.

Estes métodos usam problemas matemáticos diferentes dos do RSA e da criptografia de curva elíptica.

Pós-quântica não significa que esta criptografia seja inviolável para sempre. As técnicas criptográficas continuam a ser investigadas e testadas.

Para as blockchains, o desafio não está apenas em escolher um novo algoritmo. O tamanho das transações, os custos de verificação, as carteiras, a gestão de chaves e a compatibilidade com sistemas existentes também desempenham um papel.

Conclusão

O quantum computing usa qubits para executar certos cálculos de forma diferente de um computador clássico. Isto pode ser especialmente útil para problemas difíceis específicos, como a simulação de moléculas e certos cálculos matemáticos. Para tarefas normais de computação, um computador clássico continua a ser muito mais adequado.

Para as criptomoedas, o mais importante é que futuros computadores quânticos podem enfraquecer algumas formas de criptografia. Isso pode ter consequências para a segurança das private keys e das assinaturas digitais. Os computadores quânticos atuais ainda estão muito longe de ser suficientemente poderosos para quebrar, de forma prática, o Bitcoin ou a criptografia amplamente utilizada.

Ainda assim, já se trabalha na proteção contra futuros ataques quânticos. Uma solução importante é a criptografia pós-quântica. Para as blockchains, essa transição significa que os protocolos, as carteiras e outros sistemas têm de ser adaptados a tempo e continuar a funcionar bem em conjunto.