Um Futuro Sci-Fi da Comunicação Mundial

E se alguém te falasse que no futuro toda a comunicação será teletransportada e não existirão mais problemas de atenuação, distância e capacidade de banda? Impossível? Nem tanto…

Comunicação Tradicional e Segurança da Informação

Os meios tradicionais de comunicação digital codificam informações em ondas eletromagnéticas que são transmitidas por diversos meios físicos guiados (como fibra ótica, cabo par trançado) e meios não guiados (como wifi, satélite e etc).

O sistema vigente de comunicação necessita de pontos para distribuição de tráfego e conexões, como os cabos submarinos que ligam os países.

Para manter o sigilo das comunicações, geralmente são utilizadas técnicas criptográficas, afinal, o tráfego que você faz em um site de e-commerce passa por diversos nós e são passíveis de interceptação.

Entretanto, com exceção da criptografia quântica que utiliza princípios da mecânica quântica para troca de chaves, qualquer sistema criptográfico de mercado como RSA, AES, 3DES, são basicamente problemas matemáticos. Algoritmos complexos para a computação tradicional, mas, passíveis de resolução, inclusive humana.

Além de características de segurança da informação da comunicação, existem problemas como limitação de capacidade de banda: o quanto é possível codificar informações em pulsos eletromagnéticos; e também, a atenuação e aderência a ruído que esses sistemas possuem, tornando a distância e a velocidade de transferência de tráfego limitadas.

Nesse artigo será exposto um método diferente de comunicação, onde sua própria construção física já possui características seguras.

Princípios da Mecânica e Computação Quântica

Antes de falarmos sobre Computação Quântica, é importante citar alguns princípios que o fundamentam.

Superposição

A superposição postula que um sistema quântico, enquanto não medido (observado), é formado teoricamente por todos os estados possíveis. “Basicamente” a superposição afirma que no momento que você for observar (medir) alguma partícula, por serem tão “pequenas”, o simples fato de observar já irá interferir no movimento (momentum) da mesma. Portanto, enquanto não se observar, ela está em todos os estados até a medição lhe “colapsar”.

Indeterminação

Diferentemente da mecânica clássica onde é possível ser preciso no resultado da medição de um sistema físico em função do tempo e espaço, na mecânica quântica, os valores medidos de uma função, mesmo utilizando o mesmo aparato precisamente calibrado, sempre obterá valores divergentes.

Devido à essa indeterminação nos valores de uma medição, são adotados valores probabilísticos da função da onda para expressar os estados das medições em um sistema quântico. Para exemplificar, imagina que para medir um corpo na física clássica, poderia se obter o valor de um momento igual a x.

Complementaridade

A propriedade da complementaridade é definida pela incapacidade de ser sucedida uma função em variáveis conjugadas em um sistema na mecânica quântica.

Hã???

Devido à indeterminação e superposição, jamais será possível medir uma função de onda em seu estado físico (momentum) e sua posição relativa no espaço, por exemplo, não é possível saber onde está um fóton e sua rotação (spin) na mesma medição.

Para tal coleção de informações, é necessário medir um conjunto de vezes para extrair as estatísticas para os valores espaciais e para seu momentum.

Entrelaçamento Quântico

Entrelaçamento quântico é uma propriedade da mecânica quântica que define a relação entre os estados de duas partículas, por exemplo suas polaridades e, esta relação ocorre mesmo com a separação física das partículas.

Brian Greene, em O Tecido do Cosmos, exemplifica a conexão das partículas entrelaçadas:

[…] esse emaranhamento quântico está exaustivamente comprovado. Se dois fótons estão emaranhados, a determinação do spin de um deles em torno de um eixo força o outro a ter o mesmo spin em torno do mesmo eixo. O ato de medir um fóton obriga o outro a sair da névoa de probabilidades e tomar um valor definido de spin – valor que corresponde precisamente ao do seu companheiro distante.

Computação Quântica

A computação quântica é um método computacional baseado na abstração dos princípios e fundamentos da mecânica quântica.

Ao contrário da computação clássica que utiliza informações baseadas em bits 0 ou 1, a computação quântica tem sua unidade de informação baseada em bits quânticos (qubits) podendo ser o estados de superposição |0⟩ e |1⟩.

Devido ao comportamento dos qubits, a estrutura lógica de desenvolvimento de softwares mudam drasticamente. O que hoje é trabalhado com a Teoria da Informação de Shannon, sofre uma disruptura e a forma de pensar deixa de ser binária (0 ou 1) e passa a ser superposta (|0⟩ e |1⟩).

Qubits

Bits quânticos, ou qubits, são a unidade básica de informação da computação quântica. Essa unidade de informação pode ser extraída de padrões de medição em interferômetros ou do spin (direção da rotação) de uma partícula.

Imagina a imagem abaixo como uma partícula:

Para se extrair a informação de um qubit, faça uma medição e a informação obtida desse momentum da partícula é considerado o |ψ⟩, ou valor da informação.

Basicamente, o valor do qubit é o ângulo da rotação da partícula.

Computação Quântica, Criptografia e Ciberespionagem

O primeiro ponto importante a ser salientado ao lidar com computadores quânticos é sua forma de processamento de informação. Para melhor entendimento, vamos contextualizar o processamento de um computador tradicional que basicamente processa uma hipótese por vez (lógica binária), como na figura abaixo.

Agora imagine o processamento de uma informação usando a lógica quântica, onde a informação é uma superposição de |0⟩ e |1⟩, portanto é capaz de processar todas as hipóteses ao mesmo tempo, como na figura abaixo.

Mas, o que isso significa?

Imagina um cenário onde um atacante possui um computador quântico e tenta fazer um ataque de força bruta, inclusive para descobrir a chave criptográfica. Simplesmente torna-se impossível manter o sigilo de qualquer informação.

Essa afirmação de não existir segurança em criptografia com relação aos computadores quântico não é novidade, em 2009 Bernstein já postulava sobre o tema em seu livro Post-Quantum Cryptography. Inclusive afirmou que algoritmos quânticos quebram os famosos algoritmos criptográficos:

• RSA
• Diffie-Hellman
• Curvas Elípticas
• Buchmann-Williams
• Algebricamente Homomórfico

Curiosamente isso não é tão imaterial quanto se imagina, abaixo demonstro um circuito quântico com apenas 4 qubits onde utilizando o algoritmo Shor, consegue quebrar o RSA.

Só que as coisas podem se complicar um pouco mais…

Para exemplificar um pouco mais da complexidade no que concerne aos computadores quânticos, sempre é importante observar sua possível relação com questões diplomáticas, políticas e consequentemente a espionagem.

Dando uma pitada meio George Orwell como em 1984, acho importante salientar algumas reportagens:

• NSA working on quantum computer to break any encryption
• NSA preps quantum-resistant algorithms to head off crypto-apocalypse

Comunicação por Teletransporte

Apesar do nome “teletransporte” nos remeter ao Star Trek, esse fenômeno é um pouco diferente do que é apresentado em programas de ficção científica.

Os primeiros indícios do teletransporte ocorreram em um artigo onde Einstein, mais outros dois cientistas tentavam postular que a mecânica quântica era incompleta. O nome desse artigo era “Can Quantum Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”.

Para provar a incompletude da mecânica quântica, Einstein afirmava que um par de partículas entrelaçadas, quando separadas a longas distâncias, como 100 mil anos luz, ao se mudar a polaridade de uma partícula, a sua correspondente entrelaçada não iria corresponder a mudança de rotação ou iria demorar o tempo necessário para essa “informação” chegar até a outra partícula respeitando a constante da velocidade da luz. Por meio desse artigo criou-se o termo Paradoxo de EPR.

Apesar dos esforços, o tempo mostrou que na realidade a mecânica quântica não estava “incompleta” e para piorar, o envio do estado das partículas entrelaçadas ocorre de forma instantânea.

Como isso ocorre?

Eis o mistério.

O que se pode afirmar, é que experimentando em laboratório, foi possível entrelaçar partículas, interpretar informações como se fossem qubits e o que ocorreu posteriormente foi fascinante: teletransportou-se informação..

São considerados importantes trabalhos na comprovação do teletransporte de informações quânticas:

• An elementary quantum network of single atoms in optical cavities
• Experimental quantum teleportation over a high-loss free-space channel.
• Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward.

De modo geral, a comunicação por teletransporte possui os seguintes passos:

1. Codificação dos bits clássicos para qubit: nesse primeiro momento, um conjunto de bits clássicos podem ser convertidos em rotações de qubits. O termo técnico para essa função é codificação superdensa.
2. Criação de partículas de sessão: para que informações possam ser teletransportadas é necessário que partículas entrelaçadas sejam criadas e distribuídas entre as localidades que irão se comunicar. O envio dessas partículas podem ocorrer por meio guiado.
3. Teletransporte da informação: com as partículas entrelaçadas de sessão estacionárias nos locais que irão se comunicar, a informação clássica codificada em qubits é transferida para o qubit de sessão em uma localidade que, consequentemente envia a mudança dos estados das partículas entrelaçadas para a outra localidade por meio do teletransporte (em um canal denominado EPR).

Aplicação na Sociedade da Comunicação por Teletransporte

Posso dizer que essa seção basicamente é uma previsão do que virá ocorrer no futuro em matéria de comunicação por teletransporte:

Comunicação Teletransportada Ponto-a-Ponto

Uma empresa terá um dispositivo no gateway da rede em cada localidade/filias com partículas entrelaçadas e irá fazer a comunicação teletransportada.

Comunicação Teletransportada Ponto-a-Ponto com Uplink para Internet

As unidades de uma empresa terão comunicação teletransportada entre si e, uma dessas pontas pode ter saída para a Internet ou um Datacenter provedor de serviços.

Comunicação Espacial

A comunicação por teletransporte irá resolver um dos principais problemas do programa espacial: comunicação com a Terra.

Devido às características desse sistema de comunicação, além de não existir atenuação da comunicação, portanto não existir limites de distância, é possível transferir grande quantidade de bits clássicos por poucos qubits, aumentando a capacidade de banda.

Segurança da Informação em Comunicação Teletransportada

Um dos principais pontos de vulnerabilidade para ser explorado em qualquer meio de comunicação é justamente o meio físico pelo qual a informação trafega.

Ataques de man-in-the-middle, grampos, interceptação em geral só ocorre porque existe onde se alcançar o “túnel” pelo qual a informação passa, mas, em um cenário onde se é teletransportada a informação o meio físico simplesmente não existe, criando automaticamente o mais seguro meio de comunicação existente.

Simplesmente, em uma medição de posição física de uma partícula, não existe em nossas 3 dimensões espaciais:

Conclusão

Primeiro fato importante a ser observado na comunicação por teletransporte é que não é um futuro tão distante. Em julho de 2016 um grupo de pesquisadores chineses conseguiram enviar o primeiro satélite com partículas entrelaçadas para estabelecer a primeira comunicação por teletransporte. Esse experimento foi publicado com o nome One giant step for quantum internet.

Outro fator importante a ser observado são as tendências de mercado, onde o Gartner já aponta a realidade da computação quântica em seu Hype Cycle.

Espera-se que a partir de 2027 seja comum a computação quântica e, consequentemente a comunicação.

Algumas previsões que podem ser apontadas neste cenário são:

• Sistemas de Big Data com seus “nodes” distribuídos globalmente comunicando-se por teletransporte;
• Datacenters oferecendo serviços de SaaS, PaaS e etc, utilizando gateways de comunicação quântica com seus clientes;
• Sistemas de backup e Disaster Recovery utilizando comunicação teletransportada;
• Programa espacial enviando outros satélites estilo Voyager, mas, podendo ser operados como drones e trocando grande volume de informações em tempo real;
• Comunicação entre unidades diplomáticas sem ocorrerem grampos/monitoramento.

Enfim, com a comunicação por teletransporte muitos limites serão quebrados e serão expandidas as fronteiras humanas.

Caso você tenha mais interesse nesse assunto, fique a vontade para me contatar =)

E-mail: eu@rafaelwo.com.br

Site: rafaelwo.com.br

Blog: rafaelwo.com.br/blog

Deixo também como material complementar o vídeo de minha palestra no Roadsec 2016 em São Paulo, enjoy it!