A Internet quântica está cada vez mais próxima: para que serve e o que acontecerá com a rede atual?
10 de junho de 2024
A Internet quântica está cada vez mais próxima: para que serve e o que acontecerá com a rede atual?
A Internet quântica está cada vez mais próxima: para que serve e o que acontecerá com a rede atual?
Testes bem-sucedidos fora do laboratório já foram realizados nos Estados Unidos, na China e na Holanda. Especialistas explicaram ao Infobae como funciona, quais as vantagens e dificuldades dessa rede, que nos próximos anos se tornará realidade
Por Maximiliano Fernández
The quantum A Internet está cada vez mais perto de se tornar uma realidade além dos experimentos
A Internet quântica parece ficção científica. Comunicar através de informações que seguem as propriedades da física quântica, conceitos tão complexos e elusivos, parece estranho à realidade cotidiana. Mas a ciência avança a um ritmo redobrado. As primeiras experiências em ambientes urbanos, fora da serenidade dos laboratórios, demonstraram que é possível, que esta rede quântica está agora ao nosso alcance.
A Internet – a Internet que conhecemos hoje – é um canal colossal que permite às pessoas partilharem informação entre si sob a forma de bits, não importa onde estejam, não importa se milhares e milhares de quilómetros as separam. A próxima Internet quântica introduz um conceito, o de qubits, que equivalem à informação quântica que seria enviada através de links dentro da nova rede.
“Semelhante ao funcionamento da Internet clássica, trata-se fundamentalmente de movimentação e troca de bits, as unidades básicas de informação. “Supõe-se que a Internet quântica faça a mesma coisa com qubits, unidades básicas de informação quântica: enquanto um bit tem o valor 0 ou 1, um qubit coloca esses valores em uma superposição, então, de certa forma, mantém ambos ", explicou Harun Šiljak, professor da Escola de Engenharia do Trinity College Dublin, em diálogo com a Infobae.
O especialista em sistemas quânticos esclareceu que esta superposição dá origem a um cálculo muito mais rápido do que vemos hoje. As informações seriam enviadas em questão de microssegundos e sob uma estrutura de segurança quase inviolável.
A Internet quântica parece ficção científica. Comunicar através de informações que seguem as propriedades da física quântica, conceitos tão complexos e elusivos, parece estranho à realidade cotidiana. Mas a ciência avança a um ritmo redobrado. As primeiras experiências em ambientes urbanos, fora da serenidade dos laboratórios, demonstraram que é possível, que esta rede quântica está agora ao nosso alcance.
A Internet – a Internet que conhecemos hoje – é um canal colossal que permite às pessoas partilharem informação entre si sob a forma de bits, não importa onde estejam, não importa se milhares e milhares de quilómetros as separam. A próxima Internet quântica introduz um conceito, o de qubits, que equivalem à informação quântica que seria enviada através de links dentro da nova rede.
“Semelhante ao funcionamento da Internet clássica, trata-se fundamentalmente de movimentação e troca de bits, as unidades básicas de informação. “Supõe-se que a Internet quântica faça a mesma coisa com qubits, unidades básicas de informação quântica: enquanto um bit tem o valor 0 ou 1, um qubit coloca esses valores em uma superposição, então, de certa forma, mantém ambos ", explicou Harun Šiljak, professor da Escola de Engenharia do Trinity College Dublin, em diálogo com a Infobae.
O especialista em sistemas quânticos esclareceu que esta superposição dá origem a um cálculo muito mais rápido do que vemos hoje. As informações seriam enviadas em questão de microssegundos e sob uma estrutura de segurança quase inviolável.
“Muito do que hoje chamamos de Internet quântica é fundamentalmente uma rede criptográfica, projetada para trocar pares de qubits emaranhados que se tornam a chave secreta compartilhada para partes que desejam trocar informações com segurança”, disse ele.
A maioria dos especialistas concorda que a Internet quântica que dá os primeiros passos coexistirá com a Internet atual por uma razão simples: as suas aplicações são diferentes. Qubits podem ser convertidos em chaves de criptografia para compartilhar informações financeiras ou médicas com segurança, sem possibilidade de hacking.
Mas... por que seria tão seguro? “A Internet quântica distribui informações codificadas em estados da mecânica quântica, permitindo uma ampla gama de novas aplicações com as quais a Internet clássica é incompatível. Qualquer tentativa de espionar a comunicação perturbaria os estados quânticos, alertando as partes comunicantes”, respondeu Can Knaut, pesquisador do Laboratório Quântico da Universidade de Harvard, que fez parte da equipe que realizou um dos experimentos mais ambiciosos. Infobae. Eu vinculei aos dados.
A segurança não seria sua única vantagem. Também permitiria que vários computadores quânticos fossem conectados entre si, o que os faria trabalhar juntos para resolver problemas matemáticos mais complexos. Isso, por sua vez, daria aos usuários a capacidade de executar algoritmos em computadores baseados em nuvem, que se conectariam a recursos computacionais distribuídos
“Esses são alguns dos exemplos mais conhecidos, mas o campo que investiga casos de uso é muito ativo. “Uma coisa que realmente ajudaria a encontrar mais casos de uso é levar essa tecnologia de um ambiente de laboratório para o mundo real e levá-la a mais pessoas, tanto pesquisadores quanto usuários finais, algo em que fizemos grandes avanços em nosso trabalho recente”, ele observou Knaut.
É claro que a implementação apresenta desafios, senão dificuldades, que só agora começam a ser superados em alguns testes fora do laboratório. Estas são ainda experiências de curto alcance, que colidem com a barreira da escala. Embora a criação de uma rede quântica que cubra uma cidade inteira ou, ainda mais, um país seja uma conta pendente, os passos nessa direção são cada vez mais decisivos.
Por que a Internet quântica é difícil de escalar?
A Internet quântica apresenta dificuldades em avançar para uma escala urbana maior.
Tanto a computação quântica como a comunicação que tal Internet permitiria lutam com a escala. Para os computadores quânticos, explicou Šiljak, é difícil manter muitos qubits a funcionar ao mesmo tempo: são objetos muito sensíveis e mantê-los todos online, num processo chamado “coerência”, depende de algoritmos altamente sofisticados e de uma infraestrutura robusta.
“É por isso que ainda não vimos computadores quânticos realmente grandes que pudessem ter a capacidade de resolver todos aqueles problemas que são frequentemente mencionados como revolucionários na computação: simulações em grande escala ou descodificação de protocolos criptográficos”, sublinhou o investigador.
A principal dificuldade está na transmissão das mensagens. Na Internet tradicional, um usuário pode enviar múltiplas cópias de informações, exatamente do mesmo bit, para inúmeros destinatários. Essa qualidade vai contra um princípio fundamental da comunicação quântica conhecido como “teorema da não clonagem”.
O teorema apóia a ideia de uma comunicação mais segura, até mesmo secreta, entre duas partes. Não pode haver cópias de qubits. No entanto, este benefício esconde uma desvantagem: torna mais difícil a amplificação de uma mensagem, um sinal de informação original só pode ser transmitido uma vez e para uma pessoa.
“Nas comunicações clássicas, você pode receber informações quânticas em um nó intermediário, amplificá-las e enviá-las ao destinatário primário, garantindo que o sinal seja forte o suficiente para compensar as perdas intermediárias. No caso da informação quântica, ela não pode ser enviada por cópia, por isso precisamos de formas muito inteligentes de criar repetidores quânticos”, alertou Šiljak.
A comunicação é baseada em estados quânticos codificados em partículas individuais de luz, chamadas fótons, que se conectam entre os nós. Em longas distâncias, a luz enfraquece e, como a informação quântica não pode ser facilmente copiada ou amplificada, a perda de sinal impede atualmente o desenvolvimento de redes quânticas de Internet em escalas metropolitanas.
Por sua vez, explicou Knaut, cada nó da rede requer sistemas quânticos de alto desempenho que possam armazenar e processar informações e interagir fortemente com a luz. “Proteger estes frágeis sistemas do ruído ambiente e, ao mesmo tempo, manter um controlo preciso é um grande desafio”, considerou.
Além da questão técnica, hoje existe também uma barreira de custo. Os dispositivos e hardware usados para conectar computadores quânticos são muito volumosos e caros, dificultando a fabricação de muitos desses nós. As primeiras experiências em pequena escala estão apenas sendo vistas, mas espera-se que os testes percorram cada vez mais quilômetros nos próximos anos.
Os experimentos até hoje
Nos Estados Unidos, na China e na Holanda, os primeiros experimentos quânticos foram realizados fora do laboratório.
Nos últimos anos, ou melhor, nos últimos meses, os experimentos começaram a sair da calma dos laboratórios, onde já estavam. confirmou que é possível enviar informações entre computadores quânticos, para mergulhar no caos reinante nas cidades. Em três países – Estados Unidos, China e Holanda – já foram realizados testes bem sucedidos dentro do ambiente urbano, com infraestruturas rochosas que permitiram a realização, ainda que em pequena escala, da Internet quântica.
Nos três casos, os investigadores utilizaram fibra óptica existente, o que é uma indicação de que no futuro ambas as redes - tradicional e quântica - coexistirão e serão utilizadas para diferentes aplicações. Na China, por exemplo, usaram cristais com átomos de rubídio, metal alcalino comum na comunicação quântica, e graças ao estabelecimento de um servidor central, conseguiram permitir que a informação viajasse cerca de 12,5 quilómetros de distância.
Uma das experiências mais recentes é a que foi feita na Holanda. Os pesquisadores usaram átomos de nitrogênio embutidos em diamante para conectar dois computadores separados por 10 quilômetros por meio de uma rede de 25 quilômetros de comprimento e um servidor central.
Questionada pela Infobae, a QuTech, empresa responsável, disse que seu teste demonstrou que é possível conectar dois pequenos processadores quânticos localizados em duas cidades diferentes através da mesma fibra que alimenta a Internet convencional. “Tivemos que fazer muita engenharia e desenvolvimento para que isso acontecesse, principalmente para superar a perda de fótons nessas distâncias”, comentaram.
Há apenas alguns meses, uma equipe formada por cientistas de Harvard conseguiu estabelecer aquela que é a rede mais extensa até hoje: informações quânticas viajaram 35 quilômetros por Boston. Os qubits passaram por quatro municípios e cruzaram o rio Charles seis vezes.
Mapa mostrando a trajetória da rede quântica de dois nós através de Cambridge e Boston, Massachusetts. Crédito: Can Knaut via OpenStreetMap
“Construímos uma rede de dois pequenos computadores quânticos capazes de processar informações quânticas para gerar e armazenar emaranhados entre qubits por no máximo um segundo. “Fomos capazes de demonstrar a distribuição do emaranhamento quântico ao longo de uma fibra de 35 km encaminhada através do movimentado ambiente urbano de Boston, mostrando a viabilidade de redes quânticas em escala metropolitana e tornando acessíveis conexões de longa distância”, observou Knaut.
-Quais são os próximos passos?
-Em nosso primeiro teste fora do laboratório, conseguimos demonstrar a viabilidade do emaranhamento quântico de longa distância em condições do mundo real e abrir caminho para redes quânticas mais robustas e escaláveis. Agora estamos trabalhando para expandir o desempenho da nossa rede adicionando nós e experimentando mais protocolos.
À medida que estes sistemas ultrapassam o seu estatuto de experiência física e se tornam uma tecnologia madura, veremos redes cada vez maiores, tanto na distância que alcançam como no número de pessoas ligadas. Há quem preveja que até ao final da década poderemos falar de uma Internet quântica que cobre mil quilómetros de distância.
A maioria dos especialistas concorda que a Internet quântica que dá os primeiros passos coexistirá com a Internet atual por uma razão simples: as suas aplicações são diferentes. Qubits podem ser convertidos em chaves de criptografia para compartilhar informações financeiras ou médicas com segurança, sem possibilidade de hacking.
Mas... por que seria tão seguro? “A Internet quântica distribui informações codificadas em estados da mecânica quântica, permitindo uma ampla gama de novas aplicações com as quais a Internet clássica é incompatível. Qualquer tentativa de espionar a comunicação perturbaria os estados quânticos, alertando as partes comunicantes”, respondeu Can Knaut, pesquisador do Laboratório Quântico da Universidade de Harvard, que fez parte da equipe que realizou um dos experimentos mais ambiciosos. Infobae. Eu vinculei aos dados.
A segurança não seria sua única vantagem. Também permitiria que vários computadores quânticos fossem conectados entre si, o que os faria trabalhar juntos para resolver problemas matemáticos mais complexos. Isso, por sua vez, daria aos usuários a capacidade de executar algoritmos em computadores baseados em nuvem, que se conectariam a recursos computacionais distribuídos
“Esses são alguns dos exemplos mais conhecidos, mas o campo que investiga casos de uso é muito ativo. “Uma coisa que realmente ajudaria a encontrar mais casos de uso é levar essa tecnologia de um ambiente de laboratório para o mundo real e levá-la a mais pessoas, tanto pesquisadores quanto usuários finais, algo em que fizemos grandes avanços em nosso trabalho recente”, ele observou Knaut.
É claro que a implementação apresenta desafios, senão dificuldades, que só agora começam a ser superados em alguns testes fora do laboratório. Estas são ainda experiências de curto alcance, que colidem com a barreira da escala. Embora a criação de uma rede quântica que cubra uma cidade inteira ou, ainda mais, um país seja uma conta pendente, os passos nessa direção são cada vez mais decisivos.
Por que a Internet quântica é difícil de escalar?
A Internet quântica apresenta dificuldades em avançar para uma escala urbana maior.
Tanto a computação quântica como a comunicação que tal Internet permitiria lutam com a escala. Para os computadores quânticos, explicou Šiljak, é difícil manter muitos qubits a funcionar ao mesmo tempo: são objetos muito sensíveis e mantê-los todos online, num processo chamado “coerência”, depende de algoritmos altamente sofisticados e de uma infraestrutura robusta.
“É por isso que ainda não vimos computadores quânticos realmente grandes que pudessem ter a capacidade de resolver todos aqueles problemas que são frequentemente mencionados como revolucionários na computação: simulações em grande escala ou descodificação de protocolos criptográficos”, sublinhou o investigador.
A principal dificuldade está na transmissão das mensagens. Na Internet tradicional, um usuário pode enviar múltiplas cópias de informações, exatamente do mesmo bit, para inúmeros destinatários. Essa qualidade vai contra um princípio fundamental da comunicação quântica conhecido como “teorema da não clonagem”.
O teorema apóia a ideia de uma comunicação mais segura, até mesmo secreta, entre duas partes. Não pode haver cópias de qubits. No entanto, este benefício esconde uma desvantagem: torna mais difícil a amplificação de uma mensagem, um sinal de informação original só pode ser transmitido uma vez e para uma pessoa.
“Nas comunicações clássicas, você pode receber informações quânticas em um nó intermediário, amplificá-las e enviá-las ao destinatário primário, garantindo que o sinal seja forte o suficiente para compensar as perdas intermediárias. No caso da informação quântica, ela não pode ser enviada por cópia, por isso precisamos de formas muito inteligentes de criar repetidores quânticos”, alertou Šiljak.
A comunicação é baseada em estados quânticos codificados em partículas individuais de luz, chamadas fótons, que se conectam entre os nós. Em longas distâncias, a luz enfraquece e, como a informação quântica não pode ser facilmente copiada ou amplificada, a perda de sinal impede atualmente o desenvolvimento de redes quânticas de Internet em escalas metropolitanas.
Por sua vez, explicou Knaut, cada nó da rede requer sistemas quânticos de alto desempenho que possam armazenar e processar informações e interagir fortemente com a luz. “Proteger estes frágeis sistemas do ruído ambiente e, ao mesmo tempo, manter um controlo preciso é um grande desafio”, considerou.
Além da questão técnica, hoje existe também uma barreira de custo. Os dispositivos e hardware usados para conectar computadores quânticos são muito volumosos e caros, dificultando a fabricação de muitos desses nós. As primeiras experiências em pequena escala estão apenas sendo vistas, mas espera-se que os testes percorram cada vez mais quilômetros nos próximos anos.
Os experimentos até hoje
Nos Estados Unidos, na China e na Holanda, os primeiros experimentos quânticos foram realizados fora do laboratório.
Nos últimos anos, ou melhor, nos últimos meses, os experimentos começaram a sair da calma dos laboratórios, onde já estavam. confirmou que é possível enviar informações entre computadores quânticos, para mergulhar no caos reinante nas cidades. Em três países – Estados Unidos, China e Holanda – já foram realizados testes bem sucedidos dentro do ambiente urbano, com infraestruturas rochosas que permitiram a realização, ainda que em pequena escala, da Internet quântica.
Nos três casos, os investigadores utilizaram fibra óptica existente, o que é uma indicação de que no futuro ambas as redes - tradicional e quântica - coexistirão e serão utilizadas para diferentes aplicações. Na China, por exemplo, usaram cristais com átomos de rubídio, metal alcalino comum na comunicação quântica, e graças ao estabelecimento de um servidor central, conseguiram permitir que a informação viajasse cerca de 12,5 quilómetros de distância.
Uma das experiências mais recentes é a que foi feita na Holanda. Os pesquisadores usaram átomos de nitrogênio embutidos em diamante para conectar dois computadores separados por 10 quilômetros por meio de uma rede de 25 quilômetros de comprimento e um servidor central.
Questionada pela Infobae, a QuTech, empresa responsável, disse que seu teste demonstrou que é possível conectar dois pequenos processadores quânticos localizados em duas cidades diferentes através da mesma fibra que alimenta a Internet convencional. “Tivemos que fazer muita engenharia e desenvolvimento para que isso acontecesse, principalmente para superar a perda de fótons nessas distâncias”, comentaram.
Há apenas alguns meses, uma equipe formada por cientistas de Harvard conseguiu estabelecer aquela que é a rede mais extensa até hoje: informações quânticas viajaram 35 quilômetros por Boston. Os qubits passaram por quatro municípios e cruzaram o rio Charles seis vezes.
Mapa mostrando a trajetória da rede quântica de dois nós através de Cambridge e Boston, Massachusetts. Crédito: Can Knaut via OpenStreetMap
“Construímos uma rede de dois pequenos computadores quânticos capazes de processar informações quânticas para gerar e armazenar emaranhados entre qubits por no máximo um segundo. “Fomos capazes de demonstrar a distribuição do emaranhamento quântico ao longo de uma fibra de 35 km encaminhada através do movimentado ambiente urbano de Boston, mostrando a viabilidade de redes quânticas em escala metropolitana e tornando acessíveis conexões de longa distância”, observou Knaut.
-Quais são os próximos passos?
-Em nosso primeiro teste fora do laboratório, conseguimos demonstrar a viabilidade do emaranhamento quântico de longa distância em condições do mundo real e abrir caminho para redes quânticas mais robustas e escaláveis. Agora estamos trabalhando para expandir o desempenho da nossa rede adicionando nós e experimentando mais protocolos.
À medida que estes sistemas ultrapassam o seu estatuto de experiência física e se tornam uma tecnologia madura, veremos redes cada vez maiores, tanto na distância que alcançam como no número de pessoas ligadas. Há quem preveja que até ao final da década poderemos falar de uma Internet quântica que cobre mil quilómetros de distância.