Como as soluções de teste e medição e a codificação de redes possibilitam novas aplicações de tecnologia quântica

Os setores público e privado estão investindo bilhões em tecnologias quânticas. Marcos quânticos vêm sendo noticiados sucessivamente com rapidez na mídia. Aplicações visionárias em tecnologia de sensores, computação e comunicações agora parecem estar ao nosso alcance. As soluções de teste e medição da Rohde & Schwarz com alta precisão possibilitam que as instituições científicas, industriais e públicas realizem testes específicos em sistemas quânticos individuais. E os especialistas da empresa na área de codificação estão levando as comunicações seguras com base em tecnologias quânticas para fora dos laboratórios, possibilitando utilizações em aplicações relevantes.

Computação quântica, tecnologia de sensores quânticos e comunicações quânticas – todas estas três tecnologias têm potenciais revolucionários. As quantias investidas em tecnologias quânticas são um forte indicador da importância atualmente atribuída a estas tecnologias. Além de investimentos globais dos conhecidos fundos de capital de risco, bilhões provenientes de recursos públicos também estão sendo direcionados para fundos de pesquisa nacionais e transnacionais.

O Ministério Federal de Educação e Pesquisa da Alemanha, por exemplo, estabeleceu um fundo para tecnologias quânticas de 2,6 bilhões de euros. A iniciativa de pesquisa Quantum Flagship da União Europeia tem um orçamento de pelo menos 1 bilhão de euros e o US National Quantum Initiative Act tem 2 bilhões de dólares americanos ao seu dispor.

Os efeitos quânticos se tornaram parte integrante de nossas vidas cotidianas. Modernos smartphones, por exemplo, contêm diversas centenas de bilhões de transistores, predominantemente em chips de memória flash. Sua função, controlar correntes e tensões, é baseada nas propriedades mecânicas quânticas de semicondutores. A primeira geração beneficia-se de efeitos quânticos naturais. Em contraste, a segunda geração da tecnologia quântica é baseada na criação e no controle de estados quânticos individuais.

Rápidos. Mais rápidos. Computadores quânticos.

Nosso mundo é controlado por códigos binários. Computadores convencionais processam dados como sequências de uns e zeros, verdadeiro ou falso, desligado ou ligado. Isso se aplica a tudo, desde o simples processamento de texto até a realidade virtual do metaverso. Mas o mundo em que vivemos e trabalhamos também está se tornando cada vez mais complexo. A quantidade de dados a processar está crescendo rapidamente. O volume anual de dados gerados digitalmente aumentou dez vezes entre 2012 e 2020, e espera-se que este volume aumente novamente o triplo até 2025. A quantidade prevista de dados é mais do que 180 zettabytes – ou, em termos mais familiares, 180 trilhões de gigabytes.

Por este motivo, os computadores convencionais enfrentam dois obstáculos insuperáveis: tempo e complexidade. Quanto maior o volume da dados, mais tempo é necessário para processar estes dados em sequência. Quanto mais complexo o problema, menor é a probabilidade de que o código binário seja capaz de calcular com eficiência a solução utilizando somente dois estados. Os computadores quânticos têm o potencial de superar ambos os obstáculos graças aos insights da física moderna.

Operações inclusivas ao invés de exclusivas

Assim como bits convencionais, bits quânticos (qubits) formam unidades de memória mecânica quântica. Além de apenas zeros e uns, eles também conseguem lidar com sobreposições e estados compostos. Essa simultaneidade representa uma mudança fundamental de paradigma tecnológico. Agora, podemos executar simultaneamente métodos de cálculos sequenciais convencionais, por isso os computadores quânticos permitem economizar tanto tempo.

Mas, acima de tudo, a nova abordagem mecânica quântica permite processar questões novas e muito mais complexas. Entretanto, não se trata de uma escolha contra ou a favor da potência de processamento convencional ou da computação quântica. Ao invés disso, o que importa é integrar os sistemas existentes e sistemas quânticos em função das tarefas.

Física versus Lógica

No mundo quântico, uma partícula pode estar em dois locais no espaço ao mesmo tempo. Somente quando ela é observada, você pode determinar sua localização ao medi-la, por exemplo. Em outras palavras, ela não está em um local definitivo até que seja observada. Essa propriedade incomum é o motivo pelo qual ela é extremamente instável. Ao invés de utilizar qubits físico individuais, altamente sujeitos a erros, múltiplos qubits são agrupados em um qubit lógico. Entretanto, o desafio é que precisamos de sistemas quânticos com pelo menos um milhão qubits lógicos para responder questões práticas, como o enovelamento de proteínas. Um qubit lógico pode conter 100 qubits físicos, mas a maior capacidade de processamento é atualmente apenas 127 qubits físicos.

A Zurich Instruments é e mais nova empresa membro da família Rohde & Schwarz. O mercado de teste e medição para computação quântica, em especial, representa grande potencial para ambas as empresas. A operação e a manutenção de computadores quânticos requerem uma ampla gama de soluções específicas de teste e medição, pois os sinais de RF precisam ser gerados e medidos com precisão extremamente elevada para criar e registrar com eficiência os estados quânticos. Sistemas de controle para computadores quânticos fazem parte do portfólio de produtos da empresa.

Segurança. Mais segurança. Comunicações quânticas

Os computadores quânticos têm o potencial de ultrapassar os limites de eficiência de processamento. Mas este potencial traz desafios em muitos aspectos, incluindo as comunicações seguras. A abertura desta caixa de pandora começou no início dos anos 90, com o surgimento dos primeiros algoritmos capazes de decifrar algoritmos de convencionais de criptografia utilizando computadores quânticos de alto desempenho.

Outros métodos alternativos de codificação já apareceram desde então. Existem basicamente duas abordagens principais. A primeira é a codificação pós-quântica, que envolve métodos convencionais de codificação com somente uma diferença importante: eles podem resistir a ataques feitos de computadores quânticos sem sofrer quaisquer danos. Os algoritmos utilizados nesta abordagem são baseados em pressupostos teóricos para os quais não há ataques eficazes conhecidos utilizando computadores convencionais ou quânticos.

A outra abordagem está relacionada à distribuição de chave quântica (QKD). A Agência Federal de Segurança da Informação (BSI) e o Instituto Nacional de Normas e Tecnologia (NIST) são os dois principais órgãos envolvidos nesta área. Em um mundo cada vez mais digitalizado, os clientes do setor privado e, principalmente os clientes de órgãos governamentais, dependem de soluções confiáveis de segurança para tecnologia da informação. Redes de comunicações seguras têm se tornado uma infraestrutura decisiva nas modernas sociedades de informação.

Essas soluções inovadoras estão alterando o foco da codificação. Métodos convencionais, bem como métodos mais recentes pós-quânticos, são baseados em pressupostos matemáticos, ou seja, na ideia de que algumas tarefas não podem ser calculadas com eficiência suficiente. A distribuição de chave quântica, contrariamente, é baseada em princípios físicos.

Os primeiros dispositivos QKD foram desenvolvidos inicialmente por grupos de trabalho de profissionais da área de Física e os trabalhos comerciais têm estado em andamento por vários anos. Em diversos projetos de pesquisa, a Rohde & Schwarz Cybersecurity fornece e aprimora sua ampla experiência em soluções para segurança, bem como sua experiência em construir e implementar sistemas e dispositivos seguros.

Inovação através de colaboração

Além de realmente desenvolver tecnologias, também é importante interagir com clientes, participar de grupos de pesquisas e associações do setor. Por isso, a Rohde & Schwarz participa desde o início de muitas redes em crescimento. Aqui estão somente algumas delas: