Porque é que a física alucinante da computação quântica é aterradora para a bitcoin e as criptomoedas

Esta semana, a Google publicou um artigo descrevendo como um computador quântico poderia teoricamente derivar uma chave privada de bitcoin em 9 minutos, com ramificações que se estendem ao Ethereum, outros tokens, banca privada e potencialmente tudo no mundo.

A computação quântica é fácil de confundir com uma versão mais rápida de um computador normal. Mas não é um chip mais poderoso ou uma quinta de servidores maior. É um tipo de máquina fundamentalmente diferente, diferente ao nível do próprio átomo.

Um computador quântico começa com um loop de metal muito frio e muito pequeno onde as partículas começam a comportar-se de formas que não se comportam em condições normais na Terra, formas que alteram o que pensamos serem 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 os computadores quânticos realmente funcionam

Os computadores normais armazenam informação como bits — cada um é 0 ou 1. Um bit é um pequeno interruptor. Fisicamente, é um transístor num "chip" — uma porta microscópica que ou deixa a eletricidade passar (1) ou não (0).

Cada foto, cada transação de bitcoin, cada palavra que já digitou é armazenada como padrões desses interruptores estando ligados ou desligados. Não há nada de misterioso sobre um bit; é um objeto físico num de dois estados definidos.

Cada cálculo é apenas embaralhar esses 0s e 1s muito rapidamente. Um chip moderno pode fazer mil milhões destes por segundo, mas ainda os faz um 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!

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

A essa temperatura, a eletricidade flui pelo loop sem qualquer resistência, e diz-se que a corrente existe num estado quântico.

No loop supercondutor, a corrente pode fluir no sentido horário (chamemos isso 0) ou anti-horário (chamemos isso 1). Mas em escalas quânticas, a corrente não tem de escolher uma direção e realmente flui em ambas as direções simultaneamente.

Não confunda com alternar entre as duas muito rapidamente. A corrente está mensurável, experimental e verificavelmente em ambos os estados simultaneamente.

Física alucinante

Até aqui consegue acompanhar? Ótimo, porque é aqui que fica genuinamente estranho, porque a física por trás de como funciona não é imediatamente intuitiva, e não é suposto ser.

Tudo com que alguém interage na vida diária obedece à física clássica, que assume que as coisas estão num lugar de cada vez. Mas as partículas não se comportam desta forma à escala subatómica.

Um eletrão não tem uma posição definida até que se olhe para ele. Um fotão não tem uma polarização definida até que se meça. Uma corrente num loop supercondutor não flui numa direção definida até que se force a escolher.

A razão pela qual não experienciamos isto na vida quotidiana é a decoerência. Quando um sistema quântico interage com o seu ambiente, moléculas de ar, calor, vibrações e luz, a sobreposição colapsa quase instantaneamente.

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

É por isso que os computadores quânticos são tão difíceis de construir. As pessoas estão a criar ambientes físicos onde as leis da física que normalmente impedem que isto aconteça são mantidas à distância apenas tempo suficiente para executar um cálculo.

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

E os qubits são frágeis mesmo assim. Perdem o seu estado quântico constantemente, razão pela qual a "correção de erros" domina todas as conversas sobre escalar.

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 períodos de tempo extremamente curtos.

Agora empilhe isso.

Dois bits normais podem estar num de quatro estados (00, 01, 10, 11), mas apenas um de cada vez (já que a corrente flui apenas numa direção). Dois qubits podem representar todos os quatro estados de uma só vez, pois a corrente está a fluir em todas as direções ao mesmo tempo.

Três qubits representam oito estados. Dez qubits representam 1.024. Cinquenta qubits representam mais de um quatrilião. O número duplica com cada qubit que é adicionado, razão pela qual a escalabilidade é tão exponencial.

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

E estes computadores quânticos são configurados de modo a que respostas erradas se cancelem mutuamente (como ondas sobrepostas que se achatam) e respostas certas se reforcem mutuamente (como ondas que se empilham mais alto). No fim da computação, 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 que permite à natureza explorar um espaço exponencialmente grande de possibilidades e depois colapsar para a resposta certa através da física em vez da lógica.

Uma ameaça monumental à criptografia

Esta física alucinante é a razão pela qual é aterrorizante para a encriptação.

A matemática que protege o bitcoin depende da suposição de que verificar todas as chaves possíveis levaria mais tempo que a idade do universo.

Mas um computador quântico não verifica cada chave. Explora todas elas simultaneamente e usa interferência para encontrar a certa.

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

Um computador quântico a executar um algoritmo chamado Shor pode atravessar esse alçapão ao contrário. O artigo da Google esta semana mostrou que poderia fazê-lo com muito menos recursos do que alguém estimou anteriormente, e dentro de um período de tempo que compete contra as próprias confirmações de blocos do bitcoin.

É por isto que a ameaça dos computadores quânticos quebrarem a encriptação da blockchain está genuinamente a deixar todos muito preocupados.

Como esse ataque funciona passo a passo, o que o artigo da Google especificamente alterou, e o que significa para os 6,9 milhões de bitcoin já expostos, é o tema da próxima peça desta série.