Computação quântica: como será a internet super-rápida do futuro:
* Garantir a proteção contra hackers;
* Transmitir mensagens por longas distâncias sem perder parte delas;
* Direcionar mensagens por uma rede quântica.
Mas o que é um computador quântico?
É uma máquina capazsolucionar problemas computacionais muito difíceisforma incrivelmente ágil.
Em computadores convencionais, a unidadeinformação"bit" e pode ter um valor 1 ou 0. Seu equivalente no sistema quântico – o qubit (bit quântico) – pode ser 1 e 0 ao mesmo tempo. O fenômeno permite que múltiplos cálculos sejam realizados simultaneamente.
No entanto, qubits precisam ser sincronizados usando um efeito quântico conhecido como entrelaçamento, o que Albert Einstein chamouuma "ação fantasma à distância".
Há quatro tiposcomputadores quânticos sendo desenvolvidos, que usam:
* Partículasluz;
* Íons presos;
* Qubits supercondutores;
* Centrosvacâncianitrogênio observadosdiamantes imperfeitos.
Computadores quânticos permitirão uma sérieaplicações úteis, como modelar variaçõesreações químicas para descobrir novos medicamentos, desenvolver tecnologiasimagem para a indústriasaúde a fimdetectar problemas no corpo ou acelerar a forma como são desenvolvidas baterias, novos materiais e eletrônicos flexíveis.
Poderprocessamento
Computadores quânticos podem ser mais poderosos que computadores clássicos, mas algumas aplicações exigirão ainda mais poderprocessamento do que um computador quântico oferece por si só.
Se for possível fazer com que essas máquinas se comuniquem entre si, elas poderão ser conectadas para formar um enorme computador. Mas, como há quatro tiposcomputadores quânticos sendo criados hoje, eles não conseguirão se comunicar sem alguma ajuda.
Alguns cientistas defendem que a internet quântica seja baseada inteiramentepartículasluz (fótons), enquanto outros acreditam que seria mais fácil criar redes quânticasque a luz interagisse com a matéria.
"Luz é melhor para comunicação, mas qubitsmatéria são melhores para processamento", diz Joseph Fitzsimons, pesquisador do CentroTecnologias Quânticas da Universidade NacionalCingapura, à BBC. "Você precisaambos para fazer a rede trabalhar para estabelecer a correçãosinal, mas é difícil fazê-los interagir."
É muito caro e difícil armazenar toda informaçãofótons, diz Fitzsimons, porque essas partículas não conseguem ver umas as outras e passam reto entre si,vezse chocarem. O especialista acredita que seria mais fácil usar a luz para comunicação e armazenar informação usando elétrons e átomos (na formamatéria).
Criptografia quântica
Uma aplicação crucial da internet quântica será a distribuiçãochaves quânticas,que uma chave secreta é gerada usando um parfótons entrelaçados e usada para criptografar informaçãouma forma que é impossível para um computador quântico quebrá-la.
Essa tecnologia já existe, e foi primeiro demonstrada no espaço por uma equipepesquisadores da Universidade NacionalCingapura e da UniversidadeStrathclyde, no Reino Unido,dezembro2015.
Mas não é apenas dessa criptografia que precisaremos no futuro para garantir a segurançanossa informação. Cientistas também estão trabalhando"protocolos cegoscomputador quântico", que permitem ocultar qualquer coisaum computador.
"Você pode escrever algo, enviar para um computador remoto e a dona da máquina não conseguirá saber nada a respeito, a não ser a duração do processamento (do arquivo) e a quantidadememória que usou", diz Fitzsimons.
"Isso é importante porque provavelmente não haverá muitos computadores quânticos quando eles surgirem, então, as pessoas vão querer rodar programas neles, como fazemos hoje com a nuvem."
Há duas abordagens possíveis para fazer uma rede quântica – com comunicaçõesterra ou pelo espaço. Ambos os métodos funcionam para enviar bits comunsdados pela internet atual, mas, se quisermos enviar dados como qubits no futuro, será muito mais complicado.
Para enviar partículasluz (fótons), podemos usar cabosfibra ópticaterra. No entanto, os sinaisluz se deterioram ao longograndes distâncias, porque os cabos às vezes absorvem a luz.
É possível evitar isso ao construir "estaçõesrepetição" a cada 50 km. Elas seriam basicamente laboratórios quânticosminiatura que tentariam reparar o sinal antesenviá-lo adiante para o próximo nódulo da rede. Mas esse sistema tem suas próprias complexidades.
Terra ou espaço?
E há as redes espaciais. Digamos que você queira enviar uma mensagem do Reino Unido para a Austrália. O sinalluz é enviadouma estaçãosolo britânico para um satélite com uma fonteluz instalada nele.
O satélite envia o sinalluz para outro satélite, que então envia o sinal para uma estaçãosolo australiano, e a mensagem pode ser transmitida por meiouma rede quânticaterra ou por uma rede tradicionalinternet para o destinatário.
"Como não há ar entre os satélites, não há nada para degradar o sinal", diz Jamie Vicary, pesquisador do departamentoCiência da Computação da UniversidadeOxford, no Reino Unido, e membro do HubTecnologiasInformação QuânticasRede (NQIT, na siglainglês).
"Se vocêfato quiser ter uma internet quânticaescala global, soluções com base no espaço parecem ser a única formafazê-la funcionar, mas é a mais cara."
O teletransporte quântico pelo espaço já foi realizado com sucesso, e cientistas estão tentando provar que é possível fazer isso atravésdistâncias cada vez maiores.
Membros da AcademiaCiências Chinesa foram parar nas manchetesjunho quando conseguiram teletransportar fótons entrelaçados entre duas cidades na China localizadas a 1,2 mil kmdistância entre si. Eles usaram um satélite quântico especial chamado Micius.
Os mesmos cientistas chineses superaram recentemente o próprio recorde ao,29setembro, realizar a primeira ligação intercontinental por vídeo protegida por uma chave quântica, com pesquisadores da Áustria, a uma distância7,7 mil km.
A ligação durou 20 minutos, e os participantes foram capazestrocar fotos criptografadas do satélite Micus e do físico austríaco Erwin Schrödinger.
Rupert Ursin, membro do InstitutoÓptica e Informação Quânticas da AcademiaCiências Austríaca, acredita que a internet quântica demandará redesterra e pelo espaço operandoparalelo. "Nas cidades, precisamosredesfibra, mas as conexões a grandes distâncias teráser realizada com comunicações por satélite."
Como funciona uma chavedistribuição quântica?
Para entender como funciona uma chave quântica, precisamos voltar à chamadavídeo entre cientistas chineses e austríacos. O satélite Micius usoufonteluz para estabelecer conexões ópticas com as estaçõesterra na Áustria e na China. Foi então capazgerar uma chave quântica.
O mais interessante da criptografia quântica é que você pode detectar quanto alguém tentou interceptar a mensagem antesela chegar ao destinatário ou quantas pessoas tentaram acessá-la.
O Micius foi capazdizer que a criptografia não havia sido violada e que ninguém estava ouvindo à ligação. Deu então o 'ok' para criptografar os dados usando a chave secreta e transmiti-los por uma rede públicainternet.
Mensagens
Diversos gruposcientistas estão desenvolvendo redesterra ao trabalhartecnologiasestaçõesrepetição quânticas, localizadas a cada 50 km, conectadas por cabosfibra óptica.
Essas estações, conhecidas como "nódulosrede quânticos", precisarão realizar diversas ações para direcionar as mensagens pela rede.
Primeiro, cada nódulo precisa reparar o sinal e potencializar o sinal que ficou prejudicado ao percorrer os 50 km anteriores da rede.
Imagine que você esteja usando uma máquinafax para enviar um documentouma página para outra pessoa e, cada vez que você manda a página, uma parte diferente da mensagem fica faltando, e o destinatário precisa juntar as partes da mensagem obtidascada tentativa.
Isso é similar a como uma única mensagem pode ser enviada entre diferentes nódulosuma rede quântica.
Haverá muitas pessoas na rede, todas tentando falar umas com as outras. Então, o nódulo, ou a estação repetidora, terádescobrir como distribuir o poderprocessamento disponível para montar todas as mensagens sendo enviadas. Também teráenviar mensagens entre a internet quântica e a internet clássica.
A UniversidadeDelft está construindo uma rede quântica usando vacânciasnitrogêniodiamantes, e isso demonstrou até agora ser capazarmazenar e distribuir as conexões necessárias para comunicações quânticas a grandes distâncias.
A UniversidadeOxford e a UniversidadeMaryland (EUA) estão construindo computadores quânticos que funcionamforma similar a uma rede. Consistemnódulosíons presos que foram conectadosrede para se comunicarem.
Quanto maior for o computador desejado, mais nódulos serão necessários adicionar, mas esse tipocomputador quântico apenas transmite dados a curta distância.
"Queremos fazer com que sejam pequenos para que sejam bem protegidos da degradação do sinal, mas, se forem pequenos, eles não conseguirão armazenar muitos qubits", diz Vicary.
"Se conectarmos nódulosrede, então, ainda podemos ter um computador quântico sem precisar limitar o númeroqubits e ainda assim proteger os nódulos."
Memória quântica
A estação repetidora também precisará um chipmemória quântico. Os nódulos criam "conexões", que consistemparespartículasluz entrelaçadas. Esses pares são preparados com antecedência.
Enquanto o nódulo calcula a rota pela rede que a mensagem terápercorrer, ele teráarmazenar o parfótons entrelaçadosalgum local seguro, então, a memória quântica é necessária. Ela teráarmazenar os fótons pelo tempo que for necessário.
Pesquisadores da Universidade Nacional Australiana (ANU, na siglainglês) desenvolveram um chipmemória quântica compatível com telecomunicações usando um tipo específicocristal. Esse invento é capazarmazenar luz na cor correta efazer isso por maisum segundo, o que é 10 mil vezes mais do que todas tentativas realizadas até agora.
"O principal desafio é demonstrar uma memória quântica com uma capacidadearmazenamento grande", diz Matthew Sellars, da ANU. "Será a capacidadearmazenamento que limitará a transmissãodados pela rede. Acredito que levará cinco anos antes que a tecnologia (para a internet quântica) seja algo usada na prática."
