O começo do Fim - a era dos Computadores Quânticos

Imagine um mundo onde tudo o que você faz online – suas senhas bancárias, seus emails, suas contas do Netflix, tudo – esteja vulnerável. E o pior: qualquer pessoa, a qualquer momento, poderia ter acesso a essas informações. Seus dados, suas finanças, sua privacidade… expostos! Como você se sentiria sabendo que isso não é um pesadelo, mas uma possibilidade real? Agora, imagine que a tecnologia capaz de transformar esse cenário em realidade já está em desenvolvimento e pode ser mais próxima do que você imagina…

Essa tecnologia é a computação quântica. E ela pode mudar tudo, para sempre.

Mas como isso funciona? O que torna essa tecnologia tão revolucionária e, ao mesmo tempo, tão ameaçadora? Para entender isso, precisamos mergulhar em um mundo onde as regras da física tradicional não se aplicam. Mas antes disso…

Como um Computador Funciona?

Um computador tradicional na mais basica das suas definições é uma máquina que realiza cálculos. No núcleo de tudo, está a unidade de processamento (CPU), que interpreta e executa instruções. Essas instruções são representadas em bits ( (bi)nary digi(ts) ), o menor elemento de informação em um computador.

Hoje em dia, praticamente todo mundo já se deparou com a ideia de números binários na internet. Para quem está conhecendo o conceito pela primeira vez, os números binários são uma forma diferente de representar números do que a que aprendemos na escola. Nós aprendemos a enxergar e calcular o mundo na base 10, também chamada de sistema decimal. O princípio fundamental do sistema decimal é que dez unidades de qualquer ordem formam uma unidade da ordem imediatamente superior. Por exemplo, quando temos 9 unidades e adicionamos mais uma, formamos 1 dezena. Ao adicionar mais 10, temos 2 dezenas. Da mesma forma, 10 dezenas formam 1 centena, 10 centenas formam 1 milhar, e esse padrão continua indefinidamente.

Já um computador enxerga o mundo e faz todas as suas operações utilizando a base 2, ou binária. Em um sistema binário, existem apenas dois valores possíveis: 0 e 1, que representam verdadeiro e falso, ligado e desligado. Isso é o que chamamos de bit. Qualquer coisa que possa guardar e representar dois estados é um sistema binário e serve como um bit. Por isso, os primeiros computadores utilizavam válvulas, que só podiam estar abertas (1) ou fechadas (0), mas também poderiam usar lâmpadas, interruptores, portas, e até mesmo a redstone do Minecraft. Não é atoa que hora ou outra aparece algum maluco gênio que constroi computadores ou circuitos logicos inteiros dentro do jogo.

Computer Architecture Explained With MINECRAFT

Quando você agrupa uma sequência de bits, consegue armazenar praticamente qualquer tipo de informação. Por exemplo, uma sequência de 8 bits forma um byte.

Como cada bit pode assumir os valores 0 ou 1, um byte pode representar 256 combinações diferentes (2^8).

Por exemplo, se quiséssemos representar o número 22 no sistema decimal como um byte, ele seria expresso em binário como 00010110. Agora, imagine que você tem 8 interruptores alinhados em uma parede. Para representar o número 22 nesses interruptores, basta seguir esta lógica:

• Para cada 0 no número binário, mantenha o interruptor desligado.
• Para cada 1, mantenha o interruptor ligado.

Com isso temos um byte que representaria o número 22.

Para cada bit adicional, o número de combinações possíveis aumenta exponencialmente. Enquanto um byte pode armazenar 256 combinações, ao adicionar apenas um bit, esse número dobra para 2^9 = 512!

Mas o que isso tem a ver com o funcionamento de um computador?

Bem, a CPU (Central Processing Unit), o "cérebro" do computador, é essencialmente um gigantesco aglomerado de interruptores microscópicos, chamados de transistores.

Esses transistores têm a função de controlar a entrada e saída de corrente elétrica em diferentes módulos da CPU. Quando um transistor permite a passagem de corrente, ele representa o estado 1. Quando bloqueia a passagem, representa o estado 0. Assim, a CPU pode armazenar e processar dados em formato binário.

Como um Computador Realiza Operações?

Os transistores não trabalham sozinhos. Eles são organizados em circuitos conhecidos como portões lógicos (logic gates). Esses portões realizam operações matemáticas e lógicas fundamentais utilizando os estados 0 e 1.

Alguns exemplos de portões lógicos são:

• AND (E): A saída será 1 somente se ambas as entradas forem 1.
• OR (OU): A saída será 1 se pelo menos uma das entradas for 1.
• NOT (NÃO): Inverte o valor da entrada (0 vira 1, e 1 vira 0).

Ao combinar esses portões, é possível criar circuitos mais complexos. Por exemplo, ao combinar a porta OR com a porta NOT, criamos a porta lógica NOR, que inverte a saída da porta OR. De forma similar, quando juntamos as portas lógicas AND e NOT, obtemos uma porta NAND, que inverte o resultado da porta AND.

Você alguma vez já desmontou uma placa mãe, ou algum circuito eletrônico mais simples e notou que existem varias caixinhas pretas grudades na placa? Algumas dessas caixinhas são módulos que implementam os portões lógicos.

Esses transistores que formam os portões lógicos podem então ser combinados e são capazes de realizar operações, como somar números. Se você pode somar, você também consegue, multiplicar, dividir, subitrair e basicamente fazer qualquer coisa.

Portanto, ao combinar vários portões lógicos, você cria um módulo, e ao juntar vários módulos, você tem uma CPU capaz de realizar desde simples somas até executar tarefas complexas como rodar jogos.

Um problema surge

Notavelmente, a tendência do ser humano é sempre buscar evolução e aperfeiçoamento. Como mencionado anteriormente, os primeiros computadores que surgiram, como ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), utilizavam centenas de válvulas para realizar operações lógicas. Essas válvulas eram grandes, consumiam muita energia e frequentemente queimavam, tornando os computadores da época extremamente instáveis e pouco práticos.

Alguns detalhes sobre o ENIAC:

• Tamanho: Ocupava cerca de 167 m² e pesava aproximadamente 27 toneladas.
• Componentes: Usava cerca de 17.468 válvulas eletrônicas, 7.200 diodos, 1.500 relés e consumia 150 kW de energia.
• Velocidade: Era capaz de realizar cerca de 5.000 operações aritméticas por segundo.

Apesar de parecerem exagerados, esses números representavam um avanço extraordinário para a época, fazendo do ENIAC um marco histórico na computação.

Mas então, em 1947, os físicos John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley nos laboratórios da Bell Telephone Laboratories, em busca de uma alternativa
mais eficiente, confiável e compacta aos relés e às válvulas eletrônicas, criaram os transistores.

A substituição das válvulas por transistores foi um marco revolucionário, permitindo a construção de computadores menores, mais confiáveis e energeticamente eficientes.

Com isso, houve a possibilidade da construção de computadores menores, mais rapidos e mais confiáveis. Fora o impacto em outras áreas, revolucionando rádios, televisores e outros dispositivos de comunicação.

Em 1971 o primeiro microprocessador comercial, o Intel 4004, ele tinha cerca de 2.300 transistores.

Um número verdadeiramente impressionante de transistores. Naturalmente, a humanidade não pararia por aí. Com o passar dos anos, os transistores foram se tornando cada vez menores, permitindo que mais e mais deles fossem integrados em um único chip.

Em 1982, apenas oito anos após o lançamento do primeiro microprocessador, a Intel apresentou o Intel 80286, que possuía 134 mil transistores acomodados em uma área de apenas 45 mm². Apenas sete anos depois, em 1989, o Intel 80486 atingiu a impressionante marca de 1,2 milhão de transistores, representando um salto significativo na densidade e capacidade dos chips.

Atualmente o Apple M3 Ultra conta com impressionantes 134 bilhões de transistores.

Para contextualizar, se cada transistor fosse do tamanho de um grão de arroz:

• O Intel 4004 caberia em uma caixa de sapatos
• Um processador moderno ocuparia o equivalente a vários campos de futebol!

Essa miniaturização incrível dos transistores permitiu que os computadores se tornassem cada vez mais poderosos e eficientes. Seguindo a Lei de Moore (cofundador da Intel), que prevê que o número de transistores em um chip dobra aproximadamente a cada dois anos, os computadores continuam evoluindo em um ritmo impressionante.

No entanto, estamos chegando a um limite físico nessa miniaturização. Quando os transistores ficam muito pequenos, começamos a enfrentar efeitos quânticos que podem interferir no seu funcionamento normal.

O Reino Quântico

Enquanto o mundo visível e cotidiano é regido pelas leis clássicas da física, o mundo quântico segue regras muito diferentes, fundamentadas na probabilidade e na incerteza. Essas leis, descritas pela mecânica quântica, desafiam a nossa intuição e permitem fenômenos que parecem impossíveis no mundo macroscópico.

No contexto da computação, esse contraste é ainda mais intrigante. À medida que os transistores ficam cada vez menores, os limites da física clássica começam a se impor. Quando alcançamos tamanhos na escala de átomos, os fenômenos quânticos entram em cena e podem comprometer o funcionamento dos computadores tradicionais.

Por exemplo, imagine um transistor do tamanho de um átomo. Em dimensões extremamente pequenas, ocorre um fenômeno chamado tunelamento quântico. Nesse caso, um elétron pode literalmente "atravessar" uma barreira que, sob as leis da física clássica, deveria ser intransponível. É como se, ao invés de atravessar uma porta, você simplesmente aparecesse do outro lado, sem explicação aparente no mundo clássico.

Esse comportamento, que para nós parece absurdo, é totalmente natural no universo quântico.

A Solução - Computação Quântica

Diante desse desafio, era óbvio que a humanidade não iria simplesmente desistir de buscar a evolução tecnológica. Os primeiros conceitos de computação quântica surgiram ainda no final da década de 1950, quando o físico e vencedor do prêmio Nobel Richard Feynman propôs que um computador quântico seria capaz de simular sistemas quânticos de maneira muito mais eficiente do que qualquer computador clássico.

No entanto, os avanços significativos na área só começaram a acontecer nas décadas de 1980 e 1990. Em 1994, o matemático Peter Shor desenvolveu um marco revolucionário: o algoritmo de Shor (guarde esse nome, pois voltaremos a falar dele posteriormente nesse artigo), que demonstrou a capacidade teórica de um computador quântico fatorar números inteiros de forma exponencialmente mais rápida do que os computadores clássicos. Essa descoberta despertou enorme interesse na computação quântica, especialmente por suas implicações na segurança criptográfica, além de impulsionar o desenvolvimento de hardware e software quânticos.

Finalmente, em 1998, foi construído o primeiro computador quântico funcional, embora ainda bastante rudimentar, com dois qubits.

Qubits?

Assim como discutimos no início deste artigo, os bits são a unidade básica que rege todo o sistema da computação clássica, funcionando como blocos fundamentais que representam os estados binários de 0 ou 1. Já na computação quântica, os qubits (quantum bits) assumem esse papel fundamental, mas com uma diferença crucial: eles podem existir simultaneamente em uma combinação de 0 e 1.

Bom, como já mencionamos, as regras do mundo clássico não se aplicam ao mundo quântico, e é justamente isso que possibilita a existência dos qubits, graças a um fenômeno conhecido como superposição. Antes de entendermos como essa propriedade funciona, é importante explicar o que é um qubit e como ele é criado.

Qubits podem ser criados usando diferentes sistemas físicos que seguem as leis da mecânica quântica, como:

• Átomos individuais: Mantidos em campos magnéticos ou elétricos.
• Elétrons: Usando o "spin", que é uma propriedade intrínseca do elétron.
• Fótons: Utilizando a polarização da luz.
• Supercondutores: Como em circuitos supercondutores que criam estados quânticos macroscópicos.

Conforme bem explicado pelo canal Veritasium (os links de referência estão disponíveis na bibliografia deste artigo), e o que usaremos como base para entender como um qubit funciona, podemos começar observando um elétron. Ele é, essencialmente, como um pequeno ímã, com seu próprio campo magnético. Essa propriedade do elétron é conhecida como spin, que pode ser interpretada como uma espécie de rotação.

Quando colocamos um elétron em um campo magnético externo, ele tende a se alinhar com o campo, exatamente como uma bússola se alinha ao campo magnético da Terra. Esse alinhamento representa o estado de menor energia, no qual o elétron está "relaxado" e mais estável. Para um elétron, esse estado é chamado de spin down.

No vídeo mencionado, Andrea Morello, professor de Engenharia Quântica na Universidade de New South Wales, explica outro estado do elétron, conhecido como spin up. Esse estado pode ser comparado a abrir a tampa de uma bússola e girar a agulha para o lado oposto. Embora isso seja possível, exige um certo esforço. Da mesma forma, o elétron pode assumir um estado oposto ao campo magnético, chamado spin up, mas isso requer uma quantidade maior de energia.

Assim, podemos representar o 0 como spin down e o 1 como spin up.

Devido ao fenômeno da superposição, o spin do elétron pode coexistir em uma combinação de spin up e spin down ao mesmo tempo, em vez de estar em um estado definido de 0 ou 1.

Superposição, interferência e emaranhamento

O exemplo mais clássico de superposição, e provavelmente o mais conhecido, é o famoso Gato de Schrödinger. Esse experimento mental foi proposto pelo físico Erwin Schrödinger para ilustrar como os conceitos quânticos, como a superposição, parecem absurdos quando aplicados ao mundo macroscópico.

Imagine um gato dentro de uma caixa fechada com um mecanismo que depende de um átomo radioativo. Se o átomo decair, ele aciona um dispositivo que libera veneno, matando o gato. Se o átomo não decair, o gato permanece vivo.

De acordo com as leis da mecânica quântica, enquanto ninguém abrir a caixa para observar, o átomo está em uma superposição de dois estados: decaído e não decaído. Por consequência, o gato também estaria em uma superposição de estados: vivo e morto ao mesmo tempo.

Da mesma forma que no exemplo do gato de Schrödinger, enquanto não observados, os qubits existem em um estado de superposição, o que significa que podem ser simultaneamente 0, 1, e até uma combinação de 0 e 1. Isso ocorre porque, no mundo quântico, a informação não é fixa até que uma medida seja feita.

No momento em que o qubit é medido, a superposição é "destruída", e o qubit é forçado a escolher um dos dois estados possíveis — 0 ou 1. Esse processo é conhecido como colapso da função de onda. Antes da medição, o qubit mantém um potencial de estar em ambos os estados ao mesmo tempo, mas, ao ser observado, ele assume definitivamente um valor.

Uma consequência da superposição é a interferência. Os estados qubit podem interferir uns com os outros porque cada estado é descrito por uma amplitude de probabilidade, assim como as amplitudes de ondas. Na mecanica quântica, tudo se comporta mais ou menos como ondas. Quando duas ondas se chocam, elas podem se somar e aumentar a sua intensidade (interferência construtiva) ou diminuirem a intensidade (interferência destrutiva).

O emaranhamento quântico é um fenômeno peculiar da mecânica quântica em que duas ou mais partículas (ou qubits, no caso da computação quântica) se tornam interconectadas, de forma que o estado de uma delas está diretamente relacionado ao estado da outra, independentemente da distância que as separa.

• Quando dois qubits são emaranhados, a medição de um deles automaticamente define o estado do outro, mesmo que estejam em lados opostos do universo.
• Por exemplo, se dois qubits estão emaranhados e um deles é medido como 0, o outro será 1, ou vice-versa, dependendo da relação entre eles.

Essa conexão ocorre porque os qubits emaranhados compartilham um único estado quântico global, em vez de estados independentes. É como se eles fossem partes inseparáveis de um mesmo sistema.

Bom, eu poderia continuar falando sobre isso por mais umas duas horas e, mesmo assim, não chegaria nem perto de cobrir tudo. Mas, no geral, essa é a essência da computação quântica e como ela funciona.

Ok, acho que até aqui você entendeu mais ou menos como a computação clássica e a quântica funcionam, mas…

Como a Computação Quântica Pode Quebrar a Internet?

Voltamos ao algoritmo de Shor, que mencionamos brevemente. Para entender por que ele é tão revolucionário e, ao mesmo tempo, tão ameaçador, precisamos primeiro entender como funciona a segurança digital atual.

Praticamente toda a segurança da internet está baseada em um conceito fundamental: a criptografia de chave pública, também conhecida como criptografia assimétrica. Esse sistema utiliza um par de chaves – uma pública (que pode ser compartilhada) e uma privada (que deve ser mantida em segredo).

O sistema mais amplamente utilizado é o RSA (Rivest-Shamir-Adleman), que depende de um princípio matemático simples, mas extremamente poderoso: é muito fácil multiplicar dois números primos grandes, mas extremamente difícil fazer o caminho inverso – ou seja, dado apenas o produto, determinar quais eram os números primos originais.

Por exemplo, multiplicar 17 e 23 é simples: 17 × 23 = 391. Porém, se eu lhe der apenas o número 391 e pedir para você encontrar os fatores primos, você precisará testar várias possibilidades, o que demanda muito mais tempo e esforço computacional.

Agora, imagine isso com números primos de centenas de dígitos. Para um computador clássico, fatorar tais números poderia levar bilhões de anos, mesmo com toda a capacidade computacional disponível no planeta.

É justamente aí que o algoritmo de Shor entra em cena. Ele demonstrou, teoricamente, que um computador quântico suficientemente poderoso poderia fatorar esses números enormes em questão de segundos ou minutos, não de anos ou décadas.

O que está em risco?

Praticamente tudo que depende de segurança digital:

• Transações bancárias e financeiras online
• Comunicações seguras (HTTPS)
• E-mails criptografados
• Assinaturas digitais
• Documentos confidenciais
• Blockchain e criptomoedas
• VPNs (Redes Privadas Virtuais)
• Dados armazenados em nuvem

Isso significaria que um computador quântico nas mãos erradas poderia, potencialmente, acessar qualquer sistema protegido pela criptografia atual, expondo dados sensíveis, movimentações financeiras e informações privadas de bilhões de pessoas e organizações ao redor do mundo.

Por Que Não Entrar em Pânico (Ainda)

Apesar do cenário alarmante descrito acima, há várias razões para mantermos a calma e o otimismo:

1. Os Computadores Quânticos Ainda São Extremamente Primitivos

Os computadores quânticos atuais ainda são muito limitados. Em 2025, o Google anunciou ter alcançado a "State-of-the-art performance" com um processador de 105 qubits chamado Willow, capaz de realizar em minutos um cálculo que levaria milhares de anos para o supercomputador mais potente da época.

Mas para quebrar a criptografia RSA de 2048 bits (padrão atual), seriam necessários aproximadamente 4.000 qubits estáveis e milhões de operações quânticas.

2. Desafios Técnicos Enormes

Construir e manter um computador quântico funcional é incrivelmente desafiador:

• Temperatura: A maioria dos sistemas quânticos precisa operar a temperaturas extremamente baixas, próximas ao zero absoluto (-273,15°C), para minimizar a interferência.
• Decoerência quântica: Os qubits são extremamente sensíveis ao ambiente. Qualquer interação não controlada (como temperatura, campos magnéticos ou vibrações) pode fazê-los perder seu estado quântico (superposição), um fenômeno chamado decoerência.
• Taxa de erro: Os qubits atuais são propensos a erros, o que limita a precisão e confiabilidade dos cálculos.

3. A Criptografia Pós-Quântica Já Está em Desenvolvimento

Cientistas e especialistas em segurança não estão esperando passivamente. Desde o início do século XXI, há um esforço concentrado para desenvolver algoritmos criptográficos resistentes a ataques quânticos.

O NIST (National Institute of Standards and Technology) dos EUA já está em processo de padronização de algoritmos criptográficos pós-quânticos. Em 2022, o NIST anunciou os primeiros algoritmos selecionados que serão resistentes a ataques quânticos:

• CRYSTALS-Kyber: Para criptografia geral e troca de chaves
• CRYSTALS-Dilithium, FALCON e SPHINCS+: Para assinaturas digitais

Esses algoritmos baseiam-se em problemas matemáticos que acredita-se serem difíceis mesmo para computadores quânticos, como reticulados (lattices), sistemas multivariados e funções hash.

4. Tempo de Transição

A transição para uma infraestrutura criptográfica pós-quântica não acontecerá da noite para o dia, mas é um processo gradual que já está em andamento. Grandes empresas de tecnologia como Google, Microsoft e IBM já estão investindo pesadamente nessa área:

• O Google já está testando criptografia pós-quântica no Chrome
• A Microsoft está implementando suporte para algoritmos pós-quânticos no Windows
• Fabricantes de hardware já estão desenvolvendo chips com suporte nativo a algoritmos pós-quânticos

5. Benefícios da Computação Quântica

Embora representem um desafio para a segurança digital, os computadores quânticos também prometem avanços revolucionários em diversos campos:

• Desenvolvimento de medicamentos: Simulação precisa de moléculas e proteínas, potencialmente acelerando a descoberta de novos remédios
• Ciência dos materiais: Criação de materiais com propriedades específicas para aplicações como baterias mais eficientes e supercondutores
• Modelagem climática: Simulações mais precisas para entender e combater as mudanças climáticas
• Otimização logística: Resolver problemas complexos de roteamento, cadeia de suprimentos e alocação de recursos

E agora?

A computação quântica representa tanto uma oportunidade quanto um desafio. A ameaça à segurança digital é real, mas não é iminente nem inevitável. Estamos em uma corrida tecnológica, mas não estamos desprevenidos.

O mais provável é que, muito antes de computadores quânticos se tornarem poderosos o suficiente para quebrar a criptografia atual, já teremos implementado amplamente os algoritmos pós-quânticos, mantendo a segurança da nossa infraestrutura digital.

Como usuários finais, podemos ficar tranquilos sabendo que os maiores cérebros do mundo estão trabalhando nesse problema. E como sociedade, devemos continuar investindo em pesquisa e desenvolvimento tanto na computação quântica quanto na criptografia pós-quântica.

A revolução quântica está chegando, e promete transformar nosso mundo digital. Mas, com planejamento adequado e inovação contínua, podemos garantir que essa transformação seja segura e benéfica para todos.