A computação quântica usa a mecânica quântica para realizar alguns cálculos muito mais rapidamente do que os computadores tradicionais.
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Um computador quântico usa as propriedades da mecânica quântica para realizar cálculos.Os computadores quânticos são muito mais rápidos em certos tipos de cálculos do que os computadores clássicos (ou seja, qualquer dispositivo de computação em amplo uso atualmente, como smartphones, servidores e computadores de mesa).Mais importante ainda, a computação quântica pode ser capaz de resolver certos problemas matemáticos extremamente difíceis que a computação clássica não consegue resolver de forma eficiente, o que colocaria em risco os atuais métodos de criptografia e exporia dados confidenciais.
Imagine procurar o capítulo de um livro virando página por página até chegar ao desejado. Agora, em vez disso, imagine consultar o índice primeiro e quase instantaneamente passar para o capítulo correto. A computação quântica é parecida com a experiência de usar um índice: ela examina todas as soluções possíveis para um cálculo de forma rápida e simultânea, em vez de tentar soluções diferentes até chegar à correta.
Tecnicamente, um computador clássico pode fazer qualquer cálculo que um computador quântico pode fazer — com tempo suficiente. Mas um computador clássico pode precisar de séculos ou milênios para resolver um problema que um computador quântico poderia, teoricamente, resolver em minutos.
Na prática, os pesquisadores produziram apenas um punhado de casos em que um computador quântico resolveu um problema mais rapidamente do que um computador clássico. Os computadores quânticos são difíceis de construir e instáveis, uma vez construídos. Mas se os desafios da construção de computadores quânticos forem resolvidos, a computação quântica pode transformar permanentemente a tecnologia.
Um computador clássico armazena informações em uma série de bits. Um bit é a menor unidade de informação possível; seu valor é 0 ou 1.
Um computador quântico sarmazena informações em qubits e não em bits. Um qubit pode ter um valor 0, 1, ou uma mistura de ambos os estados (o termo técnico para tal mistura é "superposição"). Na verdade, o valor de um qubit é incerto — ao contrário de um bit clássico, que sempre é conhecido como 0 ou 1. O valor de um qubit permanece indeterminado até que alguém o observe.
Como resultado, um computador quântico pode conter vários estados, ou versões, de informações ao mesmo tempo. Isso permite que ele processe soluções para cálculos em um ritmo exponencialmente mais rápido em comparação com um computador comum — assim como uma equipe de pessoas executando várias tarefas simultaneamente concluirá um projeto mais rapidamente do que uma pessoa fazendo todas as tarefas por conta própria.
Imagine um segmento de informação como um globo. Um pouco pode sentar-se ou no polo norte do globo ou no polo sul. Um qubit pode ficar em qualquer lugar na superfície do globo, aumentando enormemente as possibilidades informacionais que ele pode conter.
Em um nível mecânico, é claro, bits e qubits não são realmente globos. Um bit é uma pequena seção de um computador que contém uma carga elétrica (1) ou não possui uma carga elétrica (0). Um qubit é a posição incerta e instável de um elétron dentro de um átomo.
Até este ponto, muito poucos computadores quânticos foram construídos. Aqueles que foram construídos são pequenos, instáveis e não podem ser usados fora das condições de laboratório.
Isto porque a computação quântica enfrenta alguns grandes desafios:
Os qubits são frágeis. Ruído, vibração, alterações de temperatura e ondas eletromagnéticas podem inibir ou destruir o estado interno de um qubit. Para operar adequadamente, os computadores quânticos precisam estar em ambientes altamente controlado que não tenha estes e outros tipos de interferência. Tais ambientes são difíceis de construir e manter fora de um laboratório.
Fatores ambientais também impactam os computadores clássicos — por exemplo, altas temperaturas ou forças magnéticas fortes podem retardar ou destruir um computador. Mas o problema é muito mais grave para os computadores quânticos, a ponto de ser incerto se eles podem operar em condições do mundo real.
(No futuro, pode ser possível neutralizar as interferências, assim como o ventilador de um computador de mesa ajuda a neutralizar as altas temperaturas).
Os computadores quânticos são menos estáveis em geral do que seus equivalentes clássicos. Isso os torna mais propensos a erros. Todos os computadores cometem erros e é por isso que os computadores clássicos têm memória interna e processadores dedicados à correção de erros. Mas os computadores quânticos precisam dedicar muito mais recursos à correção de erros do que os computadores clássicos, em relação à sua capacidade de processamento.
Para manter os qubits estáveis, os computadores quânticos precisam ser mantidos extremamente frios — apenas alguns graus acima do zero absoluto. Novamente, isso torna difícil operá-los fora de ambientes de laboratório altamente controlados.
O resultado destes e de outros desafios é que muito poucos computadores quânticos foram construídos com mais do que um punhado de qubits. (Um computador quântico de 256-quitts foi anunciado em 2021 e uma empresa espera construir um computador quântico de 1.000-quitts até 2023.)
O impacto total da computação quântica é difícil de determinar, pois ainda não está claro se os computadores quânticos em larga escala são viáveis, muito menos se a produção em massa desses computadores é possível. Isso contrasta com a computação clássica — na maioria das sociedades, computadores em miniatura são usados em quase todos os aspectos da vida, e muitas pessoas carregam o equivalente a um supercomputador em seus bolsos (como smartphones).
Computadores quânticos potentes e estáveis poderiam ter grandes impactos positivos na sociedade. Mas também é claro que tais computadores colocariam a privacidade e a segurança em risco de novas maneiras.
Há muitas aplicações possíveis dos computadores quânticos. Com computadores mais potentes, a indústria financeira pode ser capaz de ajudar a analisar e prever com mais precisão o mercado de ações. Os climatologistas podem ser capazes de analisar e prever os padrões climáticos com mais precisão. Os sistemas de transporte poderiam tornar-se mais eficientes se os computadores quânticos pudessem prever melhor os padrões de tráfego.
Todos estes resultados ainda são teóricos. E mesmo que computadores quânticos altamente estáveis pudessem ser construídos em grande escala, seus resultados de processamento ainda assim seriam apenas tão precisos quanto os dados com os quais são alimentados. Mesmo assim, a computação quântica poderia ter um grande impacto positivo nestas ou em áreas similares.
Hoje em dia, as informações confidenciais são muitas vezes protegidas através do uso de criptografia. Criptografia é o processo de codificação de uma mensagem usando uma chave, para que ninguém possa ler a mensagem a não ser quem tem a chave. A criptografia protege os dados pessoais que os usuários inserem em sites (através de TLS), dados comerciais armazenados em discos rígidos e em servidores, dados governamentais confidenciais e outras informações confidenciais.
Muitos tipos de criptografia dependem de problemas matemáticos difíceis, como fatoração primária, para proteger os dados. A dificuldade desses problemas garante que a criptografia não possa ser quebrada em um período de tempo viável. Embora existam algoritmos bem conhecidos para quebrar a criptografia, sempre é possível usar chaves de criptografia maiores, exigindo exponencialmente mais tempo (para computadores clássicos) para encontrar a chave e quebrar a criptografia.
No entanto, os computadores quânticos podem, teoricamente, resolver os problemas difíceis usados nos métodos de criptografia atualmente implantados. Nesse cenário, aumentar o tamanho das chaves não fortalece exponencialmente a dificuldade do problema. Assim, quebrar a criptografia pode levar muito menos tempo. Isso permitiria que os computadores quânticos quebrassem a maioria dos métodos de criptografia atuais, colocando todos os dados criptografados em risco de exposição.
A Cloudflare está fortemente envolvida no desenvolvimento de novos métodos de criptografia resistentes à computação quântica que protegerão informações confidenciais agora e no futuro. Isso faz parte do compromisso maior da Cloudflare de ajudar a desenvolver melhores protocolos de internet, padrões de criptografia e proteções de privacidade.
A Cloudflare continuará a contribuir nesta área. Para saber mais, veja as últimas postagens no blog sobre computação quântica e criptografia.