Espera-se que os computadores quânticos sejam disruptivos e potencialmente impactem muitos setores da indústria. Assim, pesquisadores do Reino Unido e da Holanda decidiram explorar dois problemas quânticos bem diferentes:quebrar a criptografia do Bitcoin (uma moeda digital) e simular a molécula responsável pela fixação biológica do nitrogênio.
Em AVS Quantum Science , os pesquisadores descrevem uma ferramenta que eles criaram para determinar o tamanho de um computador quântico para resolver problemas como esses e quanto tempo levará.

"A maior parte do trabalho existente neste domínio se concentra em uma plataforma de hardware específica, dispositivos supercondutores, como aqueles para os quais a IBM e o Google estão trabalhando", disse Mark Webber, da Universidade de Sussex. “Diferentes plataformas de hardware variam muito nas principais especificações de hardware, como a taxa de operações e a qualidade do controle nos qubits (bits quânticos)”.

Muitos dos casos de uso de vantagem quântica mais promissores exigirão um computador quântico com correção de erros. A correção de erros permite a execução de algoritmos mais longos, compensando erros inerentes dentro do computador quântico, mas tem o custo de mais qubits físicos.

Extrair nitrogênio do ar para produzir amônia para fertilizantes consome muita energia, e melhorias no processo podem impactar tanto a escassez mundial de alimentos quanto a crise climática. A simulação de moléculas relevantes está atualmente além das habilidades dos supercomputadores mais rápidos do mundo, mas deve estar ao alcance dos computadores quânticos de próxima geração.

"Nossa ferramenta automatiza o cálculo da sobrecarga de correção de erros em função das principais especificações de hardware", disse Webber. "Para tornar o algoritmo quântico mais rápido, podemos realizar mais operações em paralelo adicionando mais qubits físicos. Introduzimos qubits extras conforme necessário para atingir o tempo de execução desejado, que depende criticamente da taxa de operações no nível do hardware físico."

A maioria das plataformas de hardware de computação quântica são limitadas, porque apenas os qubits próximos um do outro podem interagir diretamente. Em outras plataformas, como alguns projetos de íons presos, os qubits não estão em posições fixas e podem ser fisicamente movidos - o que significa que cada qubit pode interagir diretamente com um amplo conjunto de outros qubits.

"Exploramos a melhor forma de aproveitar essa capacidade de conectar qubits distantes, com o objetivo de resolver problemas em menos tempo com menos qubits", disse Webber. “Devemos continuar adaptando as estratégias de correção de erros para explorar os pontos fortes do hardware subjacente, o que pode nos permitir resolver problemas altamente impactantes com um computador quântico de tamanho menor do que se supunha anteriormente”.

Os computadores quânticos são exponencialmente mais poderosos em quebrar muitas técnicas de criptografia do que os computadores clássicos. O mundo usa criptografia RSA para a maior parte de sua comunicação segura. A criptografia RSA e a que o Bitcoin usa (algoritmo de assinatura digital de curva elíptica) um dia será vulnerável a um ataque de computação quântica, mas hoje, mesmo o maior supercomputador nunca poderia representar uma ameaça séria.

Os pesquisadores estimaram o tamanho que um computador quântico precisa ter para quebrar a criptografia da rede Bitcoin dentro da pequena janela de tempo em que isso representaria uma ameaça - entre seu anúncio e a integração na blockchain. Quanto maior a taxa paga na transação, menor será essa janela, mas provavelmente varia de minutos a horas.

“Os computadores quânticos de última geração hoje têm apenas 50 a 100 qubits”, disse Webber. "Nosso requisito estimado de 30 [milhões] a 300 milhões de qubits físicos sugere que o Bitcoin deve ser considerado seguro de um ataque quântico por enquanto, mas dispositivos desse tamanho geralmente são considerados alcançáveis, e avanços futuros podem reduzir ainda mais os requisitos.

"A rede Bitcoin pode executar um 'hard-fork' em uma técnica de criptografia de segurança quântica, mas isso pode resultar em problemas de dimensionamento de rede devido a um aumento no requisito de memória".

Os pesquisadores enfatizam a taxa de melhoria tanto dos algoritmos quânticos quanto dos protocolos de correção de erros.

"Há quatro anos, estimamos que um dispositivo de íons presos precisaria de um bilhão de qubits físicos para quebrar a criptografia RSA, exigindo um dispositivo com uma área de 100 por 100 metros quadrados", disse Webber. "Agora, com melhorias gerais, isso pode ter uma redução dramática para uma área de apenas 2,5 por 2,5 metros quadrados."

Um computador quântico com correção de erros em larga escala deve ser capaz de resolver problemas importantes que os computadores clássicos não conseguem.

"A simulação de moléculas tem aplicações para eficiência energética, baterias, catalisadores aprimorados, novos materiais e desenvolvimento de novos medicamentos", disse Webber. "Existem mais aplicativos em todos os setores, inclusive para finanças, análise de big data, fluxo de fluidos para projetos de aviões e otimizações logísticas."