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O que seria internet quântica?

23 de dezembro de 2020

Há quase exatos dois anos, o presidente dos Estados Unidos assinava em 21 de dezembro de 2018 o U.S. National Quantum Initiative. Ele provavelmente não entendia nem um décimo do conceito que estava autorizando mas é garantido que a vasta maioria das pessoas também não. Por outro lado, a internet quântica está vindo para ficar.

De acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos, “ao construir essa tecnologia nova e emergente, os Estados Unidos continuam com seu compromisso de manter e expandir nossas capacidades quânticas”. Para alcançar essa meta, o governo norte-americano está disposto a investir 625 milhões de dólares para financiar de dois a cinco centros de pesquisa quântica.

O país não está sozinho na busca do que pode ser o Cálice Sagrado das telecomunicações, uma tecnologia tão próxima de um milagre quanto possível, e se junta aos esforços da União Europeia e da China.

O que é a computação quântica?

Para entendermos o conceito de internet quântica, precisamos recuar um pouco e entender a tal computação quântica. Aqui, dados podem ser codificados como estados de qubits, o bit quântico. Enquanto o bit tradicional só pode ser 0 ou 1, ligado ou desligado, um único estado que exclui a possibilidade do outro, o qubit pode ser as duas coisas ao mesmo tempo.

Quem nunca ouviu falar do famoso gato de Schrödinger? No experimento mental do físico, o pobre felino está em um estado simultâneo de vida e morte, que irá decair para um estado fixo tão logo o experimento seja observado. A esse fenômeno quântico dá-se o nome de superposição.

Desta forma, um qubit é simultaneamente 0 e 1, até o momento de ser medido, quando um estado lhe é designado, e passa a ser um bit como outro qualquer. A internet quântica seria uma forma de enviar qubits através de uma rede de múltiplos dispositivos igualmente quânticos, separados pela distância.

E como funcionaria a internet quântica?

Infelizmente, qubits podem facilmente se perder ou perder sua estabilidade ao longo de um cabo de fibra ótica convencional. O que temos em termos de qubits hoje são extremamente voláteis e propensos a erros, de forma que a computação quântica necessita de mecanismos sofisticados para lidar com erros.  Na fase atual, os qubits não podem viajar mais do que algumas centenas de quilômetros antes de perderem sua confiabilidade.

Então, na verdade, os cientistas estão buscando uma abordagem alternativa para a comunicação de informação, explorando outra propriedade excepcional da física quântica: o entrelaçamento.

Através desse processo, dois qubits podem ser “entrelaçados” e passam a compartilhar propriedades. Basicamente, a alteração realizada em um deles reflete no seu par, independente de obstáculos ou da separação física. Assim, você pode transmitir informação entre os qubits que formam o par: o estado do primeiro pode ser interpretado a partir do estado do segundo. É o equivalente a dar um chute em uma pessoa e o seu irmão gêmeo sentir a dor simultaneamente do outro lado da cidade.

Parece magia? Sim. Albert Einstein descreveu os efeitos do entrelaçamento quântico como “assustadora ação à distância”, em 1935. Quase cem anos depois, o fenômeno segue incompreensível para qualquer um que não tenha alguns doutorados em Física. A propriedade já saiu do campo da teoria, foi observada cientificamente entre partículas minúsculas e reproduzido com sucesso, em 2018, com objetos quase visíveis a olho nu.

Em termos práticos, o entrelaçamento seria capaz de “teleportar” informação de um qubit para seu par entrelaçado, sem a necessidade de um canal físico para a transmissão.

Mudança de paradigma na segurança

Até que você tenha um dispositivo quântico no conforto do seu lar ou na palma da sua mão, a internet quântica não será utilizada para checar rede social ou ler emails. Entretanto, as aplicações estratégicas da tecnologia impressionam.

Possivelmente, você já ouviu falar como a computação quântica, com seu poder de processamento vastamente superior, irá tornar nosso sistema de criptografia atual obsoleto em questão de horas. Por outro lado, a internet quântica tem o potencial de tornar a criptografia uma camada de segurança inviolável.

O princípio da criptografia atual é o compartilhamento de uma chave entre emissor e receptor. Essa chave é criada através de um algoritmo, mas pode ser interceptada no caminho e/ou decifrada (extremamente complexo e virtualmente impossível com a capacidade computacional dos dias de hoje). Em outras palavras, a criptografia funciona no cenário atual e quebrá-la exige um esforço hercúleo que certamente não compensa seus benefícios.

Entretanto, essa segurança pode ser ampliada massivamente com a Distribuição de Chave Quântica (QKD). Nesse processo, a chave de decodificação é armazenada em qubits. O emissor transmite esses qubits para o destinatário, que analisa os qubits para obter os valores da chave.

Como os qubits estão em superposição, a “abertura” da chave provoca o decaimento para um dos estados possíveis. Entretanto, esse resultado é exatamente aquele que se deseja. Enquanto a informação da chave é transmitida na leitura do qubit, o processo “tranca” o qubit em um estado permanente, tornando-o um bit comum. Desta forma, é possível comprovar, sem risco de fraude, que o qubit não foi interceptado no caminho, uma vez que uma “espiadinha” já teria provocado o decaimento.

Para transporte de dados sensíveis como informações financeiras ou segredos de Estado, o QKD se provaria um recurso de peso e, possivelmente, esses seriam os primeiros setores beneficiados por sua aplicação.

Coletivo de computadores quânticos

Outra aplicação poderosa para a internet quântica seria a possibilidade de se criar uma rede de computadores quânticos operando em uníssono. Ao conectar dispositivos quânticos diferentes através de uma rede, os cientistas esperam amplificar sua capacidade de processamento para a realização de tarefas que seriam impossíveis para dispositivos isolados.

Desta forma, interligando dispositivos menores, vastas quantidades de dados poderiam ser analisadas em conjunto e experimentos de larga escala em astronomia, física dos materiais ou biologia molecular estariam disponíveis para a comunidade científica, através do compartilhamento de informações e resultados.

Usando o poder do entrelaçamento, teríamos clusters com a capacidade de milhares de qubits, capazes de suplantar em muito os dispositivos que temos atualmente. Para muitos cientistas, atingir essa potência computacional apenas essa meta já seria um incentivo mais do que suficiente para se buscar a internet quântica.

Obstáculos no caminho

A ideia de se “teleportar” informação sem a necessidade de cabos ou sinais é boa demais para ser verdade.  E é. Teoricamente, o entrelaçamento quântico poderia oferecer essa possibilidade. Entretanto, esse entrelaçamento precisa ser feito e, segundo, ele precisa ser mantido, dois processos que não são simples de se obter.

Por enquanto, ainda é um desafio de engenharia imenso levar esses processos para a escala do que poderia ser chamado de “rede de teleportação”, entrelaçando qubits ao redor do mundo. É verdade que uma vez estabelecida essa rede, a infraestrutura de transmissão de dados seria obsoleta, entretanto ainda precisaríamos lidar com a infraestrutura de entrelaçamento.

No estado atual, os cientistas já possuem o conhecimento e os recursos necessários para criar entrelaçamentos entre qubtis e até mesmo utilizar essa propriedade para a produção de QKD. Porém, ainda é necessário remover essa tecnologia dos laboratórios e levar para uma escala que permita o surgimento de um ecossistema. Infelizmente, qualquer interação do qubits com um cabo, um dispositivo de armazenamento ou até mesmo os raios solares, destroi seu entrelaçamento. É necessário um isolamento total, com temperaturas próximas do zero absoluto e outras condições laboratoriais para manter a condição.

A busca no momento é por um modelo de repetição, que passe o entrelaçamento pra frente. Agora que uma comunicação ponto a ponto se mostrou alcançável, busca-se agora a fundação de uma rede na qual múltiplos emissores e múltiplos receptores possam compartilhar informações e repeti-las. Seria o surgimento dos “roteadores quânticos”?

A China tem investido a longo tempo em pesquisas nesse sentido e detém o recorde atual de entrelaçamento estável induzido, utilizando uma rede de satélites. Ainda assim, o país asiático conseguiu transmitir com eficiência uma QKD por cerca de 1200 quilômetros, aproximadamente 3% da circunferência do planeta.

A expectativa da comunidade científica é que a internet quântica demore ainda mais para decolar do que a computação quântica, uma realidade que não deverá ser implementada na escala desejada antes de 2040 ou 2050. Sabemos em que direção ir, mas a jornada ainda será longa.

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