O que é a internet quântica? Tudo o que você precisa saber sobre o estranho futuro das redes quânticas

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Cientistas de todo o mundo estão trabalhando em uma internet quântica para se comunicar por teletransporte. Mas o que é a internet quântica, quando ela estará pronta, e quem vai usá-la?

Pode parecer um conceito de ficção científica, mas construir redes quânticas é uma ambição fundamental para muitos países ao redor do mundo. Recentemente, o Departamento de Defesa dos EUA (DoE) publicou o primeiro projeto desse tipo, estabelecendo uma estratégia passo a passo para tornar o sonho da internet quântica realidade,pelo menos de forma muito preliminar, ao longo dos próximos anos.

Os EUA juntaram-se à UE e à China para demonstrar um grande interesse no conceito de comunicações quânticas. Mas o que é exatamente a internet quântica, como ela funciona, e quais são as maravilhas que ela pode realizar?

O QUE É A INTERNET QUÂNTICA?

A internet quântica é uma rede que permitirá que dispositivos quânticos troquem algumas informações dentro de um ambiente que aproveita as estranhas leis da mecânica quântica. Em teoria, isso emprestaria à internet quântica capacidades sem precedentes que são impossíveis de realizar com as aplicações web atuais.

No mundo quântico, os dados podem ser codificados no estado dos qubits, que podem ser criados em dispositivos quânticos como um computador quântico ou um processador quântico. E a internet quântica, em termos simples, envolverá o envio de qubits através de uma rede de múltiplos dispositivos quânticos que estão fisicamente separados. Crucialmente, tudo isso aconteceria graças às propriedades malucas que são únicas para estados quânticos.

Isso pode soar semelhante à internet padrão. Mas enviar qubits através de um canal quântico, em vez de um clássico, significa efetivamente aproveitar o comportamento das partículas quando tomadas em sua menor escala – os chamados “estados quânticos”, que têm causado prazer e desânimo entre os cientistas por décadas.

E as leis da física quântica, que sustentam a forma como a informação será transmitida na internet quântica, não são nada menos do que desconhecidas. Na verdade, eles são estranhos, contra-intuitivos, e às vezes até aparentemente sobrenaturais.

E assim, para entender como funciona o ecossistema quântico da internet 2.0, você pode querer esquecer tudo o que sabe sobre computação clássica. Porque não muito da internet quântica vai lembrá-lo do seu navegador favorito.

QUE TIPO DE INFORMAÇÃO PODEMOS TROCAR COM A QUANTUM?

Em suma, não muito do que a maioria dos usuários está acostumada. Pelo menos nas próximas décadas, portanto, você não deve esperar um dia ser capaz de saltar para reuniões de Zoom quântico.

Central para a comunicação quântica é o fato de que os qubits, que aproveitam as leis fundamentais da mecânica quântica, se comportam de forma muito diferente dos bits clássicos.

Como codifica dados, um bit clássico pode efetivamente ser apenas um dos dois estados. Assim como um interruptor de luz tem que estar ligado ou desligado, e assim como um gato tem que estar vivo ou morto, então um pouco tem que ser 0 ou 1.

Não tanto com qubits. Em vez disso, os qubits são sobrepostos: eles podem ser 0 1 simultaneamente, em um estado quântico especial que não existe no mundo clássico. É um pouco como se você pudesse estar tanto do lado esquerdo quanto do lado direito do seu sofá, no mesmo momento.

O paradoxo é que o mero ato de medir um qubit significa que ele é atribuído a um estado. Um qubit medido cai automaticamente de seu estado duplo, e é relegado a 0 ou 1, assim como um bit clássico.

Todo o fenômeno é chamado de superposição, e está no cerne da mecânica quântica.

Sem surpresa, os qubits não podem ser usados para enviar o tipo de dados que estamos familiarizados, como e-mails e mensagens do WhatsApp. Mas o comportamento estranho dos qubits está abrindo grandes oportunidades em outras aplicações de nicho.

COMUNICAÇÕES QUÂNTICAS (MAIS SEGURAS)

Um dos caminhos mais emocionantes que os pesquisadores, armados com qubits, estão explorando, é a segurança.

Quando se trata de comunicações clássicas, a maioria dos dados é protegida distribuindo uma chave compartilhada para o remetente e receptor e, em seguida, usando esta chave comum para criptografar a mensagem. O receptor pode então usar sua chave para decodificar os dados no final.

A segurança da comunicação mais clássica hoje é baseada em um algoritmo para criar chaves que é difícil para os hackers quebrarem, mas não impossível. É por isso que os pesquisadores estão olhando para tornar esse processo de comunicação “quântico”. O conceito está no centro de um campo emergente de cibersegurança chamado distribuição de chaves quânticas (QKD).

O QKD funciona fazendo com que uma das duas partes criptografe um pedaço de dados clássicos codificando a chave de criptografia em qubits. O remetente então transmite esses qubits para a outra pessoa, que mede os qubits a fim de obter os valores-chave.

A medição faz com que o estado do qubit entre em colapso; mas é o valor que é lido durante o processo de medição que é importante. O qubit, de certa forma, só está lá para transportar o valor-chave.

Mais importante, QKD significa que é fácil descobrir se um terceiro espiou os qubits durante a transmissão, já que o intruso teria causado o colapso da chave simplesmente olhando para ele.

Se um hacker olhasse para os qubits em algum momento enquanto eles estavam sendo enviados, isso mudaria automaticamente o estado dos qubits. Um espião inevitavelmente deixaria para trás um sinal de espionagem – e é por isso que os criptógrafos afirmam que o QKD é “comprovadamente” seguro.

ENTÃO, POR QUE UMA INTERNET QUÂNTICA?

A tecnologia QKD está em seus estágios iniciais. A maneira “usual” de criar QKD no momento consiste em enviar qubits de forma unidirecional para o receptor, através de cabos de fibra óptica; mas esses limitam significativamente a eficácia do protocolo.

Qubits podem facilmente se perder ou se dispersar em um cabo de fibra óptica, o que significa que os sinais quânticos são muito propensos a erros, e lutam para viajar longas distâncias. Os experimentos atuais, na verdade, estão limitados a uma faixa de centenas de quilômetros.

Há outra solução, e é a que sustenta a internet quântica: aproveitar outra propriedade do quantum, chamada de emaranhamento, para se comunicar entre dois dispositivos.

Quando dois qubits interagem e se envolvem, eles compartilham propriedades particulares que dependem uma da outra. Embora os qubits estejam em um estado emaranhado, qualquer alteração para uma partícula no par resultará em alterações para a outra, mesmo que estejam fisicamente separados.

O estado do primeiro qubit, portanto, pode ser “lido” olhando para o comportamento de sua contraparte emaranhada. Isso mesmo: até Albert Einstein chamou a coisa toda de “ação assustadora à distância”.

E no contexto da comunicação quântica, o emaranhamento poderia, de fato, teletransportar algumas informações de um qubit para sua outra metade emaranhada, sem a necessidade de um canal físico conectando os dois durante a transmissão.

COMO FUNCIONA O EMARANHAMENTO?

O próprio conceito de teletransporte implica, por definição, a falta de uma ponte de rede física entre dispositivos de comunicação. Mas resta que o emaranhamento precisa ser criado em primeiro lugar, e depois mantido.

Para realizar qkd usando emaranhamento, é necessário construir a infraestrutura apropriada para primeiro criar pares de qubits emaranhados e, em seguida, distribuí-los entre um remetente e um receptor. Isso cria o canal de “teletransporte” sobre o qual as chaves de criptografia podem ser trocadas.

Especificamente, uma vez que os qubits emaranhados tenham sido gerados, você tem que enviar metade do par para o receptor da chave. Um qubit emaranhado pode viajar através de redes de fibra óptica, por exemplo; mas esses são incapazes de manter o emaranhamento depois de cerca de 60 milhas.

Qubits também podem ser mantidos emaranhados em grandes distâncias via satélite, mas cobrir o planeta com dispositivos quânticos no espaço exterior é caro.

Ainda há enormes desafios de engenharia, portanto, para a construção de “redes de teletransporte” em larga escala que poderiam efetivamente ligar qubits em todo o mundo. Uma vez que a rede de emaranhamento esteja no lugar, a magia pode começar: qubits ligados não precisarão mais passar por qualquer forma de infraestrutura física para entregar sua mensagem.

Durante a transmissão, portanto, a chave quântica seria virtualmente invisível para terceiros, impossível de interceptar, e confiávelmente “teletransportado” de um ponto final para o outro. A ideia ressoará bem com indústrias que lidam com dados sensíveis, como bancos, serviços de saúde ou comunicações aeronáuticas. E é provável que os governos sentados em informações ultrassecretas também sejam os primeiros adotantes da tecnologia.

O QUE MAIS PODERÍAMOS FAZER COM A INTERNET QUÂNTICA?

“Por que se preocupar com o emaranhamento?”, Você pode perguntar. Afinal, os pesquisadores poderiam simplesmente encontrar maneiras de melhorar a forma “usual” de QKD. Repetidores quânticos, por exemplo, poderiam aumentar a distância de comunicação em cabos de fibra óptica, sem ter que ir tão longe quanto emaranhar qubits.

Isso sem contabilizar o imenso potencial que o emaranhamento poderia ter para outras aplicações. O QKD é o exemplo mais discutido do que a internet quântica poderia alcançar, pois é a aplicação mais acessível da tecnologia. Mas a segurança está longe de ser o único campo que está causando excitação entre os pesquisadores.

A rede de emaranhamento usada para QKD também poderia ser usada, por exemplo, para fornecer uma maneira confiável de construir clusters quânticos feitos de qubits emaranhados localizados em diferentes dispositivos quânticos.

Os pesquisadores não precisarão de uma peça particularmente poderosa de hardware quântico para se conectar à internet quântica – na verdade, mesmo um processador de qubit único poderia fazer o trabalho. Mas ao unir dispositivos quânticos que, como estão, têm capacidades limitadas, os cientistas esperam que eles possam criar um supercomputador quântico para superar todos eles.

Ao conectar muitos dispositivos quânticos menores juntos, portanto, a internet quântica poderia começar a resolver os problemas que atualmente são impossíveis de alcançar em um único computador quântico. Isso inclui acelerar a troca de grandes quantidades de dados, e realizar experimentos de sensoriamento em larga escala em astronomia, descoberta de materiais e ciências da vida.

Por essa razão, os cientistas estão convencidos de que poderíamos colher os benefícios da internet quântica antes que gigantes da tecnologia como Google e IBM até alcançasse a supremacia quântica – o momento em que um único computador quântico resolverá um problema que é intratável para um computador clássico.

Os computadores quânticos mais avançados do Google e da IBM atualmente possuem cerca de 50 qubits, o que, por si só, é muito menor do que o necessário para realizar os cálculos fenomenais necessários para resolver os problemas que a pesquisa quântica espera resolver.

Por outro lado, a ligação desses dispositivos através do emaranhamento quântico pode resultar em aglomerados no valor de vários milhares de qubits. Para muitos cientistas, criar essa força computacional é, na verdade, o objetivo final do projeto de internet quântica.

O QUE NÃO PODERÍAMOS FAZER COM A INTERNET QUÂNTICA?

Para o futuro previsível, a internet quântica não poderia ser usada para trocar dados da maneira que fazemos atualmente em nossos laptops.

Imaginar uma internet quântica generalizada e mainstream exigiria antecipar algumas décadas (ou mais) de avanços tecnológicos. Por mais que os cientistas sonhem com o futuro da internet quântica, portanto, é impossível traçar paralelos entre o projeto como ele está atualmente, e a maneira como navegamos na web todos os dias.

Muitas pesquisas de comunicação quântica hoje se dedicam a descobrir como codificar melhor, comprimir e transmitir informações graças aos estados quânticos. Estados quânticos, é claro, são conhecidos por suas densidades extraordinárias, e os cientistas estão confiantes de que um nó poderia teletransportar uma grande quantidade de dados.

Mas o tipo de informação que os cientistas estão olhando para enviar pela internet quântica tem pouco a ver com abrir uma caixa de entrada e rolar através de e-mails. E, de fato, substituir a internet clássica não é o que a tecnologia se propus a fazer.

Em vez disso, os pesquisadores esperam que a internet quântica se sente ao lado da internet clássica, e seja usada para aplicações mais especializadas. A internet quântica executará tarefas que podem ser feitas mais rapidamente em um computador quântico do que em computadores clássicos, ou que são muito difíceis de executar mesmo nos melhores supercomputadores que existem hoje.

ENTÃO, O QUE ESTAMOS ESPERANDO?

Os cientistas já sabem como criar emaranhamento entre qubits, e eles têm até mesmo alavancado com sucesso o emaranhamento para QKD.

A China, um investidor de longa data em redes quânticas, quebrou recordes de emaranhamento induzido por satélite. Cientistas chineses recentemente estabeleceram o emaranhamento e alcançaram QKD ao longo de um recorde de 745 milhas.

A próxima etapa, no entanto, é aumentar a infraestrutura. Todos os experimentos até agora só conectaram dois pontos finais. Agora que a comunicação ponto a ponto foi alcançada, os cientistas estão trabalhando na criação de uma rede na qual vários remetentes e receptores múltiplos poderiam trocar pela internet quântica em escala global.

A ideia, essencialmente, é encontrar as melhores maneiras de produzir muitos qubits emaranhados sob demanda, em longas distâncias e entre muitos pontos diferentes ao mesmo tempo. Isso é muito mais fácil de dizer do que fazer: por exemplo, manter o emaranhado entre um dispositivo na China e um nos EUA provavelmente exigiria um nó intermediário, além de novos protocolos de roteamento.

E os países estão optando por diferentes tecnologias quando se trata de estabelecer o emaranhamento em primeiro lugar. Enquanto a China está escolhendo tecnologia de satélite, a fibra óptica é o método favorecido pelo DOE dos EUA, que agora está tentando criar uma rede de repetidores quânticos que pode aumentar a distância que separa qubits emaranhados.

Nos EUA, as partículas permaneceram enredadas através de fibra óptica ao longo de um “loop quântico” de 52 milhas nos subúrbios de Chicago, sem a necessidade de repetidores quânticos. A rede será conectada em breve a um dos laboratórios do DoE para estabelecer um teste quântico de 80 milhas.

Na UE, a Quantum Internet Alliance foi formada em 2018 para desenvolver uma estratégia para uma internet quântica, e demonstrou emaranhamento ao longo de 31 milhas no ano passado.

Para os pesquisadores quânticos, o objetivo é escalar as redes até um nível nacional primeiro, e um dia até mesmo internacionalmente. A grande maioria dos cientistas concorda que é improvável que isso aconteça antes de algumas décadas. A internet quântica é, sem dúvida, um projeto de longo prazo, com muitos obstáculos técnicos ainda no caminho. Mas os resultados inesperados que a tecnologia inevitavelmente trará no caminho farão uma jornada científica inestimável, completa com uma infinidade de aplicações quânticas estranhas que, por enquanto, não podem sequer ser previstas.

FONTE: ZDNET

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