Computadores quânticos podem causar perturbações sem precedentes de maneiras boas e ruins, desde quebrar a criptografia que protege nossos dados até resolver alguns dos quebra-cabeças mais intratáveis da química. Novas pesquisas nos deram mais clareza sobre quando isso pode acontecer.
Esquemas de criptografia modernos dependem de problemas matemáticos diabolicamente difíceis que levariam séculos até para os maiores supercomputadores decifrar. Mas os recursos exclusivos de um computador quântico significam que, com tamanho e potência suficientes, esses problemas se tornam simples, tornando a criptografia de hoje inútil.
Esse é um grande problema para a segurança cibernética e também representa um grande desafio para as criptomoedas, que usam chaves criptográficas para proteger as transações. Se alguém pudesse quebrar o esquema de criptografia subjacente usado pelo Bitcoin, por exemplo, seria capaz de falsificar essas chaves e alterar transações para roubar moedas ou realizar outras atividades fraudulentas.
Isso exigiria computadores quânticos muito maiores do que os que temos hoje, mas exatamente o tamanho não está claro. Um novo artigo na AVS Quantum Science de pesquisadores da startup britânica Universal Quantum descobriu que seria necessária uma máquina com 317 milhões a 1,9 bilhão de qubits para quebrar o Bitcoin.
A gama de qubits é ampla porque há uma janela variável dentro da qual as transações são vulneráveis. Isso ocorre enquanto eles aguardam o processamento, o que normalmente leva de dez minutos a uma hora. Um computador quântico na extremidade inferior dessa escala seria capaz de captar algumas transações, mas apenas 1,9 bilhão de qubits garantiriam que você poderia segmentar todas elas. Às vezes, as transações podem levar até um dia para serem concluídas; nesse caso, os pesquisadores calcularam que você precisaria de apenas 13 milhões.
É importante observar que esses números se referem a um tipo específico de computador quântico. Coisas como quanto tempo leva para realizar uma única operação ou quanto erro se infiltra nos cálculos podem variar significativamente, dependendo do tipo específico de hardware usado para construir o computador quântico, e esses fatores podem ter um grande impacto no número de qubits necessários. .
Para contornar isso, os pesquisadores criaram uma ferramenta que leva em consideração essas características de hardware ao calcular o tamanho de um dispositivo necessário para um problema específico. As figuras acima referem-se a uma máquina com tempos de operação de um microssegundo, o que é típico para os computadores quânticos supercondutores construídos pelo Google e pela IBM.
Dispositivos de íons aprisionados, favorecidos pela Universal Quantum, IonQ e Honeywell, têm tempos de operação próximos a 235 microssegundos. Para aqueles que dependem de qubits de silício, os tempos podem chegar a milissegundos, o que pode aumentar significativamente o número de qubits necessários.
Os pesquisadores também investigaram outro problema em que se espera que os computadores quânticos superem os convencionais: a simulação de moléculas. A enorme complexidade de calcular interações até mesmo entre pequenos números de partículas significa que a maioria dos modelos químicos depende de aproximações, e mesmo essas requerem supercomputadores. Mas os computadores quânticos são regidos pelas mesmas regras dos átomos e moléculas e, portanto, com qubits suficientes, devem ser capazes de realizar simulações exatas dentro de prazos razoáveis.
Um alvo promissor para tal modelagem é a molécula FeMoco que algumas plantas e microorganismos usam para fixar o nitrogênio do ar. Compreender como funciona pode levar a enormes ganhos de eficiência na produção de fertilizantes, uma indústria que atualmente usa 2% do suprimento global de energia.
Computadores convencionais são incapazes de simular a molécula, mas os pesquisadores descobriram que um dispositivo supercondutor poderia resolver os cálculos em 10 dias usando apenas 7,5 milhões de qubits. Usando o mesmo número de qubits, um dispositivo de íon aprisionado levaria 2.450 dias, o que provavelmente não é prático, mas você pode obter uma recuperação de 10 dias com uma máquina de 600 milhões de qubits.
No entanto, o design específico que a Universal Quantum está almejando tem um truque na manga. Os qubits supercondutores só podem falar diretamente com seus vizinhos, e qualquer comunicação de longo alcance requer cadeias de interações de troca de mensagens que podem sugar muitas operações. Em contraste, os computadores de íons presos são capazes de transportar fisicamente seus qubits para permitir que eles interajam diretamente em distâncias muito maiores.
Isso reduz o número de operações necessárias, o que, por sua vez, deve reduzir o número de qubits necessários. Mais importante, poderia abrir a porta para novos esquemas de correção de erros que poderiam ser consideravelmente mais eficientes do que aqueles usados em dispositivos supercondutores.
De qualquer forma, a pesquisa sugere que quebrar o Bitcoin e resolver a fixação de nitrogênio provavelmente ainda está muito longe. E, mais importante, mostra que a escalabilidade será extremamente importante para computadores quânticos, particularmente para aqueles baseados em íons aprisionados, que provavelmente precisarão de muito mais qubits do que seus concorrentes supercondutores.
Crédito da imagem: Darwin Laganzon da Pixabay
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