Computação quântica pode comprometer blockchains?

A Computação Quântica, que usa partículas subatômicas para criar novas formas de processar e armazenar informações, promete ser o futuro da Computação. Operando em ordens mais rápidas do que os melhores processadores disponíveis hoje, a tecnologia ajudará a resolver problemas complexos em uma fração do tempo.   

Com isso em perspectiva, é possível traçar um paralelo entre a Computação Quântica e a Blockchain para compreender as diferenças e possíveis causas das vulnerabilidades provocadas pela primeira, bem como possíveis sinergias.  

Mas, para compreender os impactos do surgimento da Computação Quântica na tecnologia Blockchain, é preciso entender alguns conceitos básicos. 

Como surgiu a Computação Quântica? 

No início dos anos 80, Richard Feynman, Paul Benioff e Yuri Manin forneceram as bases para um paradigma completamente novo, introduzindo a ideia de que a Computação Quântica tinha o potencial de resolver problemas que a “computação clássica” não conseguia.   

O poder computacional dessa tecnologia vem do “emaranhamento”. Isso acontece quando duas partículas são emaranhadas — o entrelaçamento faz com que duas partículas permaneçam no mesmo estado. Se uma muda, a outra também pode mudar, dependendo do estado da outra.   

A distância entre elas não importa, e cada uma delas refletirá o estado da outra partícula. É isso que deixa os cientistas da computação entusiasmados com a Computação Quântica. No momento, as empresas estão trabalhando arduamente para aumentar o número de qubits.  

O que são qubits? 

Qubits são as unidades básicas de informação usadas pelos computadores quânticos. Diferentemente dos bits comuns, que armazenam dados como 1s ou 0s, os qubits aproveitam o fenômeno quântico conhecido como superposição. Isso significa que eles existem essencialmente como 1s e 0s simultaneamente. 

A vantagem desse fenômeno na computação é que ele aumenta exponencialmente a quantidade de informações que podem ser processadas. Um par de qubits, que pode existir como 1s ou 0s, pode incorporar quatro estados possíveis. Três qubits podem incorporar oito. Mas trezentos qubits podem incorporar mais estados do que o número de átomos existentes no Universo. 

A jornada dos qubits começou em 1998, quando Oxford, MIT, IBM e outros conseguiram trabalhar com apenas dois qubits. Atualmente, o limite chegou a 72 qubits.  

Como se deu o crescimento da tecnologia quântica? 

Depois que Richard Feynman, Paul Benioff e Yuri Manin introduziram a idéia de Computação Quântica, em 1994, Peter Shor, atualmente no Massachusetts Institute of Technology, encontrou o primeiro exemplo de um algoritmo quântico que poderia acelerar drasticamente a solução de um problema prático. Esse algoritmo era capaz de resolver com eficiência problemas em criptografia que são difíceis de resolver para computadores clássicos.   

Até hoje, o algoritmo criado por Shor continua a ameaçar os fundamentos da maioria das criptografias implantadas em todo o mundo. O problema era que, em 1994, não havia nenhum computador quântico em vista.  

Foi apenas em 1997 que o primeiro minúsculo computador quântico foi construído.  

Mas o campo realmente só decolou quando a startup canadense D-Wave revelou seu computador quântico de 28 qubits em 2007. 

Semelhante à trajetória da comunicação não quântica, que levou mais de 100 anos desde a descoberta até o mainstream, computadores quânticos estão em processo de amadurecimento.   

Para se ter uma ideia, em 2019, a CES revelou o IBM Q System One: um computador quântico de 20 qubits construído para ser estável, que causou muita repercussão devido ao seu belo design.  

Em 2021, em uma postagem de blog, o Google disse que pretende construir um “computador quântico útil e com correção de erros” até 2029, após reivindicar a supremacia quântica em 2019. 

Apesar de todo o investimento na tecnologia quântica — como veremos mais adiante –, o futuro da Computação Quântica ainda está longe de ser uma realidade.  

Os esforços globais e as projeções de mercado até 2040 

Hoje, muitos players estão disputando quem pode construir o primeiro computador quântico poderoso.  Isso inclui entidades comerciais como IonQ, Rigetti, IBM, Google, Alibaba, Microsoft e Intel. Veja na Fig.1 os 20 anos de crescimento da Computação Quântica 

Da mesma forma, as principais economias mundiais estão investindo bilhões de dólares no desenvolvimento e pesquisa de Computação Quântica. Veja na Fig.2, o esforço quântico em nível global, por país. 

Segundo relatório da McKinsey publicado em 2023, o esforço quântico global que leva à pesquisa e à inovação em ciência e tecnologia quânticas está aumentando continuamente, com investimentos mundiais atuais superiores a US$ 38,6 bilhões. E a projeção para o mercado global de tecnologia quântica é de US$ 106 bilhões até 2040. 

Os computadores quânticos são poderosos, mas difíceis de construir. Logo, quem primeiro chegar lá, obterá uma vantagem poderosa e duradoura.   

Não à toa, organismos importantes estão unindo competências na busca do domínio dessa tecnologia. Para se ter uma ideia, o paper “Quantum-enhanced greedy combinatorial optimization solver” é resultado do esforço colaborativo de um programa lançado pela DARPA em 2019 conhecido como Optimization with Noisy Intermediate Scale Quantum (ONISQ). 

O ONISQ foi criado para promover uma parceria científica estreita entre a NASA, a Universities Space Research Association (USRA) e a Riggetti Computing. Seu objetivo principal é desenvolver metodologias pioneiras de otimização quântica para reforçar as futuras capacidades militares dos EUA 

Em termos de tecnologia, onde estamos agora? 

Considerando os imensos desafios para a construção de computadores quânticos, estamos mais ou menos onde estávamos por volta de 1970 com os computadores clássicos.   

Temos alguns, mas eles ainda não são confiáveis ​​em comparação com o padrão atual. O que quero dizer com isso?  Os atuais computadores quânticos funcionam, e até existem alguns disponíveis para qualquer um programar. A IBM, Rigetti, Google e IonQ fornecem acesso público com ferramentas de código aberto para hardware de computação quântica real.   

Contudo, eles ainda são muito ruins e de escala intermediária por causa de seu pequeno número de qubits. Em resumo, os computadores quânticos ainda estão sendo trabalhados, mas atualmente ainda não são uma realidade.  

Desafios a serem superados para a criação de um computador quântico 

Os benefícios dos computadores quânticos trazem vantagens extraordinárias, mas são igualmente difíceis de manter. O estado de superposição produz desempenho, mas não é estável. Para torná-los estáveis e gerenciá-los, os físicos aplicam muitos métodos — inclusive feixes de micro-ondas ou laser —, precisam controlar a temperatura e assegurar que não haja interação de nenhum tipo de interface com o ambiente de trabalho. 

Com essa baixa resistência ao ambiente, os computadores quânticos são difíceis de manter. Uma pequena diferença em um dos elementos pode prejudicar toda a operação. O processo pelo qual a dissipação ocorre é conhecido como “decoerência”. 

Em resumo, quanto mais estáveis os qubits, mais potência de computação é gerada. Todavia, à medida que aumentamos o número de qubits, o ambiente se torna mais instável e difícil de controlar. 

No momento, as aplicações mais importantes da Computação Quântica são referentes ao comportamento da matéria, à química e à descoberta de materiais.  Mas ainda levará tempo para compreendermos como podemos ampliar sua utilidade. 

No estágio atual de desenvolvimento, nossa capacidade é muito limitada para imaginar as aplicações num futuro próximo. 

Computação quântica pode comprometer blockchains? 

A tecnologia Blockchain é conhecida por sua segurança. De acordo com relatório da Deloitte, mais de 84% das empresas esperam que a blockchain ofereça mais segurança em relação aos sistemas de TI convencionais. Seus recursos exclusivos a tornam uma ótima candidata para proteger qualquer sistema de negócios.  

Note que sua segurança advém de três fatores principais:  

• uso de redes peer-to-peer (que eliminam um único ponto de falha); 
• teoria dos jogos (também conhecida como mecanismo de consenso); 
• criptografia. 

Pois bem, uma rede blockchain funciona com base na ideia de nós interconectados ponto-a-ponto, sem um servidor central (descentralização), que transferem informações encriptadas (criptografia) uns com os outros e são capazes de “tomar decisões” e chegar a um “acordo” através de mecanismo de consenso (teoria dos jogos). 

Como já abordei aqui, são os algoritmos de consenso, a descentralização e a criptografia que garantem que toda a rede blockchain seja resistente a falsificações. 

No entanto, isso não significa que a blockchain não seja hackeável.  

Quando uma blockchain não utiliza um bom algoritmo de consenso, isto é, quando o design da teoria dos jogos não é bem arquitetado ela pode sofrer um 51% attack. Uma das formas mais populares de hackear uma rede blockchain é o invasor assumir o controle de 51% dos nós – o que é conhecido por ataque dos 51%. Ao fazer isso, o cibercriminoso pode confirmar transações falsas em toda a rede, fazer gastos duplos e roubar muitas informações ou criptomoedas.  

Os outros tipos diferentes de cyber ataques a redes blockchain incluem: 

• Ataque Sybil: uma maneira de inundar a rede com nós controlados por uma entidade 
• routing attack: ataque de roteamento dos nós por meio de diferentes ISPs 
• Ataque DDoS: sobrecarga de toda a rede e, por fim, humanos que podem usar vulnerabilidades da rede ou explorações não descobertas em seu benefício. 

Uma blockchain que sempre foi capaz de se defender, apesar de sofrer centenas de tentativas diárias de ataque a seu algoritmo de consenso — seja por meio dos 51%, seja pelo ataque Sybil e DDoS attack — é o protocolo do Bitcoin. Mas ele pode falhar quando a computação quântica entrar em cena? 

Funções unidirecionais e a falta de “algoritmos criptográficos” ou “algoritmos de consenso” à prova de Computação Quântica são as duas possíveis causas de vulnerabilidade de blockchains. 

1 – Funções matemáticas unidirecionais 

Os computadores atuais são capazes de gerar assinaturas digitais para fins de segurança, mas obter a chave ou revertê-la é totalmente impossível. Dito de outro modo, a geração atual de blockchain utiliza funções matemáticas unidirecionais. 

Para um computador convencional, é fácil computá-las em um sentido, mas impossível fazê-lo no sentido inverso. Isso torna o uso dessas funções matemáticas unidirecionais muito útil.  

Como nada melhor que um exemplo para compreender algo, vamos pensar nos números primos. Você pode multiplicar números primos com eficiência, mas se quiser encontrar os fatores primos de dois produtos de números primos, isso será difícil.  

Essa natureza dual da matemática facilita a geração de assinaturas digitais para blockchain e, em seguida, pode ser usada para fins de autenticação. Mas, sob a ótica de um hacker, isso significa reverter a equação, o que é praticamente impossível de ser feito com os computadores atuais.  

Além disso, tais funções unidirecionais são eficientes para gerar funções hash que podem ser usadas para verificar blocos recém-adicionados a um livro-razão. Mas se o conteúdo da função hash for modificado por um cibercriminoso, o valor hash não corresponderá ao conteúdo modificado, e as informações do bloco serão descartadas pela rede.  

Assim, a única maneira de um cyber ataque, nesse caso, seria encontrar o valor hash de um bloco — o que exigiria a inversão da função.  

Ora, supondo que os computadores atuais sejam capazes de resolver trilhões de chaves por segundo, ele precisaria realizar 785 milhões de cálculos para encontrar o valor hash de um bloco — o levaria 14 bilhões de anos.  

Com a computação quântica, no entanto, esse cenário muda, porque os computadores quânticos serão capazes de realizar funções matemáticas multidirecionais em zilhões de segundos. 

2 – Falta de algoritmos criptográficos à prova de quantum 

Como os atuais algoritmos criptográficos ou algoritmos de consenso levam em conta apenas o poder computacional atual, existe uma clara ausência de algoritmos criptográficos à prova de quantum usados na maioria das soluções de blockchain. 

Contudo, como toda regra possui exceções, a NEO é uma blockchain que está desenvolvendo algoritmos à prova de quantum desde 2018. Sua abordagem é construir para o futuro e escolher algoritmos que possam suportar o enorme poder da Computação Quântica quando ela chegar. 

Perspectivas da interrelação entre Blockchain e Computadores Quânticos 

Já comentei aqui que estamos caminhando para a Era da Convergência, onde todas as tecnologias de núcleo potencializam umas às outras nos levando a uma Era de evolução exponencial nunca vista antes. 

E como tecnologias de núcleo que são, assim como Inteligência Artificial, Blockchain e Criptografia impulsionam umas às outras, também Blockchain e Computação Quântica possuem sinergias. 

Como computadores quânticos poderiam melhorar Blockchains?

A tecnologia quântica pode ser um divisor de águas na solução do blockchain trilema: 

• Segurança 
• Descentralização 
• Escalabilidade e Consenso 

⎯ Melhorando a segurança por meio do uso de redes quânticas  

Redes quânticas são canais muito seguros onde você troca qubits entre si. Ao contrário das redes computacionais clássicas, uma rede quântica detecta instantaneamente qualquer tentativa de violação do sistema, garantindo a segurança da comunicação. 

⎯ Aprimoramento o escalabilidade e a escalabilidade através do entrelaçamento. 

Ao aproveitar o entrelaçamento/emaranhamento — que é de onde vem o poder computacional da Computação Quântica —, a escalabilidade e a descentralização da blockchain, podem ser potencializados.  

Com a Computação Quântica, podemos ter mais nós (nodes). A tecnologia quântica se adapta muito bem com uma potência de dois para o número de nós. E assim, podemos melhorar a descentralização com o aumento do número de nós possibilitado pela quântica. 

Por fim, com o aumento da escalabilidade possibilitada pela tecnologia quântica pode permitir que blockchains lidem com grandes volumes de dados por design, facilitando o consenso em uma escala maior. 

Pensamentos finais 

Vivemos em uma Era da Informação em que tudo é possível.  

O conceito de segurança cibernética varia de acordo com o tempo. Ao vasculharmos a história, jamais imaginaríamos que o código enigma poderia ser decifrado.  

Nesse contexto, e considerando que a tecnologia blockchain possui apenas 15 anos, é muito provável que soluções adequadas à Computação Quântica sejam desenvolvidas e implementadas nas atuais blockchains.  

Do mesmo modo, a Computação Quântica é embrionária e exigirá um grande esforço de governos e empresas para se tornar uma realidade. 

Mas e você? Pensava que a computação já estava bem próxima da realidade? Compreendeu que o cenário de “blockchain pós-quântico” ainda não está definido? Tinha ideia de que quando os computadores quânticos se tornarem realidade, eles impactarão definitivamente a forma como protegemos nossos sistemas? 

Não apenas redes blockchain, mas qualquer sistema que se utiliza de criptografia — como apps de instituições financeiras, plataformas governamentais, dentre outros — será afetado.