Por que a física alucinante da computação quântica é assustadora para bitcoin e criptografia

Esta semana, o Google publicou um artigo descrevendo como um computador quântico poderia, teoricamente, derivar uma chave privada de bitcoin em 9 minutoscom ramificações que se estendem ao Ethereum, outros tokens, serviços bancários privados e, potencialmente, tudo no mundo.

A computação quântica é fácil de ser confundida com uma versão mais rápida de um computador normal. Mas não é um chip mais poderoso ou um conjunto de servidores maior. É um tipo de máquina fundamentalmente diferente, diferente no nível do próprio átomo.

Um computador quântico começa com um loop de metal muito frio e muito pequeno, onde as partículas começam a se comportar de maneiras que não se comportam em condições normais na Terra, maneiras que alteram o que consideramos as regras básicas da física.

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

Como os computadores e computadores quânticos realmente funcionam

Computadores normais armazenam informações como bits – cada um é 0 ou 1. Um bit é uma pequena chave. Fisicamente, é um transistor em um “chip” – uma porta microscópica que permite a passagem da eletricidade (1) ou não (0).

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

Cada cálculo consiste apenas em embaralhar esses 0s e 1s muito rápido. Um chip moderno pode fazer bilhões dessas coisas por segundo, mas ainda faz uma de cada vez, em sequência.

Os computadores quânticos usam 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!

Isso é possível porque um qubit é um tipo de objeto físico completamente diferente. A versão mais comum, e a que o Google usa, é um pequeno circuito de metal supercondutor resfriado a cerca de 0,015 graus acima do zero absoluto, mais frio que o espaço sideral, mas aqui na Terra.

A essa temperatura, a eletricidade flui através do circuito sem qualquer resistência, e diz-se que a corrente existe num 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 confunda isso com alternar entre os dois muito rápido. A corrente é mensurável, experimental e verificável em ambos os estados simultaneamente.

Física alucinante

Conosco até agora? Ótimo, porque é aqui que tudo fica realmente estranho, porque a física por trás de como funciona não é imediatamente intuitiva, e não deveria ser.

Tudo com que alguém interage na vida diária obedece à física clássica, que pressupõe que as coisas estão no mesmo lugar ao mesmo tempo. Mas as partículas não se comportam desta forma na escala subatômica.

Um elétron não tem uma posição definida até que você olhe para ele. Um fóton não tem uma polarização definida até que seja medido. 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 na vida cotidiana é a decoerência. Quando um sistema quântico interage com seu ambiente, moléculas de ar, calor, vibrações e luz, a superposição entra em colapso quase instantaneamente.

Uma bola de futebol não pode estar em dois lugares ao mesmo tempo porque interage com triliões de moléculas de ar, poeira, som, calor, gravidade, etc., a cada nanossegundo. Mas isole uma pequena corrente num vácuo quase zero absoluto, proteja-a de todas as perturbações possíveis e o comportamento quântico sobreviverá o tempo suficiente para ser computado.

É por isso que os computadores quânticos são tão difíceis de construir. As pessoas estão projetando ambientes físicos onde as leis da física que normalmente impedem que essas coisas aconteçam são mantidas sob controle apenas pelo tempo suficiente para executar um cálculo.

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

E os qubits são frágeis mesmo assim. Eles perdem seu estado quântico constantemente, e é por isso que a “correção de erros” domina todas as conversas sobre expansão.

Portanto, a computação quântica não é uma versão mais rápida da computação clássica. Está a explorar um conjunto diferente de leis físicas que só se aplicam a escalas extremamente pequenas, temperaturas extremamente baixas e prazos extremamente curtos.

Agora empilhe isso.

Dois bits regulares podem estar em um dos quatro estados (00, 01, 10, 11), mas apenas um de cada vez (já que a corrente flui em apenas uma direção). Dois qubits podem representar todos os quatro estados ao mesmo tempo, 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, e é por isso que a escala é tão exponencial.

O segundo truque é algo chamado emaranhamento. Quando dois qubits estão emaranhados, medir um diz instantaneamente ao observador algo sobre o outro, não importa quão distantes estejam. Isso permite que um computador quântico coordene todos esses estados simultâneos de uma forma que a computação paralela normal não consegue.

E esses computadores quânticos são configurados para que as respostas erradas se anulem (como ondas sobrepostas que se achatam) e as respostas certas se reforcem (como ondas que se acumulam mais). Ao final do cálculo, a resposta correta tem a maior probabilidade de ser medida.

Portanto, não é velocidade de força bruta. É uma abordagem fundamentalmente diferente ao cálculo – uma abordagem que permite à natureza explorar um espaço exponencialmente grande de possibilidades e depois colapsa para a resposta certa através da física em vez da lógica.

Uma ameaça monumental à criptografia

Essa física alucinante é a razão pela qual é assustadora para a criptografia.

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

Mas um computador quântico não verifica todas as chaves. Ele explora todos eles simultaneamente e usa interferência para revelar o caminho certo.

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

Um computador quântico executando um algoritmo chamado Shor pode passar por esse alçapão ao contrário. O artigo do Google desta semana mostrou que isso poderia ser feito com muito menos recursos do que se estimava anteriormente e dentro de um prazo que vai contra as confirmações de bloqueio do próprio 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 mudou especificamente e o que isso significa para os 6,9 milhões de bitcoins já expostos é o assunto do próximo artigo desta série.