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Blockchain e a Ameaça Quântica

 

A vida de uma nova tecnologia não é nada fácil. Ela tem que se provar eficiente para substituir uma tecnologia já existente ou preencher alguma lacuna. Além disso, vive assombrada por fantasmas tentando provar que ela não serve para nada. E com blockchain não é diferente. Depois de participar de algumas discussões, cheguei a escrever um artigomostrando como o blockchain pode conviver (e até resolver problemas) com a chegada das leis de proteção de dados (GDPR e LGPD). Agora uma nova ameaça paira no ar: os computadores quânticos. Um termo que até pouco tempo parecia coisa de ficção científica, já é realidade. Empresas como IBM e Google já começam a disponibilizar o uso de seus computadores com esta tecnologia.

E como o computador quântico ameaça o blockchain?

Ameaça-o quebrando a criptografia largamente utilizando em blockchain. Desse modo, um hacker com acesso a um computador quântico poderia apropriar-se da identidade do usuário, participando de redes blockchain, ou ainda roubando seus bitcoins, ethers ou a maioria das suas criptomoedas.

Agora vem um “detalhe” que é muito mais alarmante. A criptografia utilizada por boa parte dos blockchains usa a mesma tecnologia de certificados digitais e websites seguros, o que inclui o acesso à sua conta bancária via web (internet banking)… Sim, você não precisa se preocupar com suas redes blockchain e criptomoedas, pois sua identidade e seu dinheiro já teriam sido roubados antes disso.

Bom, agora que consegui instaurar o caos com sucesso, vamos entender melhor o que realmente significa essa ameaça quântica, o que é um computador quântico, e até um pouco de física quântica.

Antes de tudo, cabe uma nota pessoal do autor que vos escreve. Quero deixar claro que não sou especialista em física, muito menos em física quântica. Mas como este assunto me interessa, tenho pesquisado à respeito e vou dar uma visão geral sobre o assunto. Caso eu cometa deslizes neste artigo, peço desde já minhas desculpas, e fiquem à vontade de fazer suas considerações nos comentários.

Criptografia atual

Grande parte dos blockchains atuais tem sua forte segurança garantida principalmente pelo uso de duas tecnologias: Criptografia via chaves assimétricas (PKI) e hashing.

A criptografia assimétrica costuma se basear na fatoração de números primos. Num exemplo extremamente simples, fatorando o número 15, obteríamos seus fatores 3 e 5. Os blockchains utilizam chaves privadas a partir de números extremamente grandes para garantir a segurança. Por “extremamente grandes” entenda algo na casa de 70 dígitos… Imagine a dificuldade em se obter 2 números primos que multiplicados gerem este número monstruoso. Pode-se usar força bruta, gerando todas as combinações possíveis, mas mesmo um supercomputador de última geração pode levar milhares de anos para descobrí-los.

No caso do hashing o cenário é diferente. Enquanto a criptografia é reversível (independente do esforço necessário), o hash não é reversível (pelo menos em tese, como veremos mais pra frente).

Física quântica

A física quântica se se refere ao mundo sub atômico. Na física clássica, matéria é matéria, e ondas são ondas. Já na física quântica uma partícula se comporta como matéria e onda ao mesmo tempo. Para nós, meros mortais, e até para físicos que trabalham com a física clássica, a física quântica é no mínimo estranha. Pessoalmente, eu diria até impossível, se já não tivesse sido comprovada cientificamente.

Para não me estender muito, vamos a duas propriedades fundamentais que nos interessam:

Superposition: Pode ser definida como um conjunto de probabilidades de um certo estado quântico. Em termos mais práticos é a possibilidade de algo estar em dois estados diferentes ao mesmo tempo. No caso de computadores, seria o bit representar 0 e 1 simultaneamente. Isso pelo menos até ser observado ou medido, quando então este estado seria colapsado para apenas um valor. Como analogia imagine jogarmos uma moeda para o alto para tirar cara ou coroa. Enquanto ela está girando no ar, podemos dizer que ela está nos dois estados (cara E coroa), mas ao medirmos, ou seja, pegando a moeda na mão, ela vai estar em cara OU coroa.

Entanglement: Pode ser traduzido como “entrelaçamento” em português. É a habilidade de objetos separados compartilharem o mesmo estado ou condição. Um par de partículas estão entangled quando estão no mesmo estado quântico. A mudança de estado de uma delas irá acarretar a imediata mudança do estado da outra. Cada membro do par pode estar a milhões de anos-luz de distância do outro, mas mesmo assim a mudança ocorrerá instantaneamente. Inacreditável? Se serve de consolo, Einstein também achou isso assustador.

Computadores quânticos

Os computadores convencionais de hoje usam bits, que representam o estado 1 ou 0. Essa tem sido a base de todos computadores há mais de cinco décadas. Os bits são gerados por impulsos elétricos ou ópticos . Tudo, até o vídeo que você assiste no YouTube, é em último instância, composto de uma sequência de uns e zeros. Já os computadores quânticos usam o qubits, que costumam ser partículas sub-atômicas, como elétrons ou fótons, e armazenam o 1 e o 0 ao mesmo tempo. A propriedade de superposition permite isso. Ao dobrar o número de bits em um computador convencional, ele tem sua capacidade de processamento também dobrada; mas no caso quântico, o aumento do número de qubits provoca um aumento exponencial.

O estado do qubit é muito frágil. Para evitar ruídos (quantum noise) que poderiam alterar este estado, o computador quântico deve ser mantido a uma temperatura absurdamente fria perto do zero grau kelvin, ou em uma câmara de altíssimo nível de vácuo para evitar vibrações. Relembrando das aulas de física da escola, zero grau kelvin é uma temperatura que faz a Sibéria parecer Cuiabá no verão; estamos falando de 273 graus celsius negativos. E mesmo nessas condições o estado do qubit é mantido por curtíssimo tempo, o que dificulta seu uso.

Uma pergunta que pode passar pela sua cabeça é se os computadores convencionais não podem continuar evoluindo, como têm feito nas últimas décadas, seguindo a Lei de Moore e dobrando sua capacidade de processamento a cada 2 anos. Desse modo eles poderiam até atingir um poder de processamento similar a um computador quântico. A resposta a essa pergunta não é um consenso, mas o fato é que chegamos em um patamar em que esbarramos no limite físico da miniaturização para a condutividade elétrica. A expansão, se ainda possível, não deve seguir o atual ritmo.

Importante dizer que a versão quântica dos computadores não deve substituir os convencionais, já que servem para finalidades diferentes.

O computador quântico não poder ser visto como um vilão. Pelo contrário. Ele veio resolver problemas complexos como modelar a estrutura da matéria, entender melhor o universo e o cérebro humano, possibilitar a criação de novos medicamentos, aprimorar o campo de inteligência artificial, entre outros. Esses problemas levam milhares (ou milhões) de anos para serem resolvidos nos computadores de hoje. Devemos ter então a chance de ter algumas repostas durante nossa existência.

Atual estágio dos computadores quânticos

Este é um terreno polêmico. Há quem diga que computadores quânticos existam ainda de maneira precária, e só estarão realmente disponíveis daqui a pelo menos uma década. Enquanto isso, algumas empresas afirmam já tê-los disponíveis para uso via cloud.

Mesmo com o uso de recursos de salas especiais a baixíssimas temperaturas ou isoladas à vácuo, os computadores quânticos ainda ficam sujeitos a erros nos cálculos. Esses erros são minimizados via software específico, mas não eliminados. James S. Clarke, executivo da Intel, acredita que para um computador quântico possa resolver problemas complexos, será necessário pelo menos um milhão de qubits; mas ainda estamos muito longe disso. A maior quantidade de qubits conseguidos em um computador até esta data é 128 qubits, pela startup Rigetti, seguida pelo Google com 72 qubits, e a IBM com 50 qubits. Parece que vamos demorar para atingir a supremacia quântica (Quantum Supremacy), ponto onde um computador quântico possa fazer cálculos impossíveis de serem reproduzidos em supercomputadores convencionais.

Existe ameaça, afinal de contas?

No caso do Bitcoin, existe uma segurança extra. Cada endereço Bitcoin é usada para apenas uma transação, pois sua carteira gera outros endereços para novas transações. Desse modo, um computador quântica teria um tempo curto para descobrir a chave privada (entre o envio da transação e sua validação), pois assim que a transação é efetivada, aquela chave privada eventualmente descoberta não será mais útil, já que sua correspondente chave pública não será mais usada.

O Algoritmo de Shor – nome dado em homenagem ao matemático Peter Shor – melhora a qualidade das tentativas para quebrar criptografia, aumentando a possibilidade de se descobrir os fatores em um tempo bem menor. Este algoritmo pode ser usado em um computador convencional, mas funciona muito melhor em um computador quântico, se valendo da propriedade de superposição, permitindo a análise de diversos candidatos simultaneamente. Entretanto, uma estimativa grosseira diz que são necessários 2 qubits para cada bit de uma chave. Ou seja, para quebrar o segredo de uma chave de 1.024bits seria necessário um computador de 2.048 qubits. Algo que deve levar alguns anos para existir. Mesmo quando existirem, existirá também a questão ética; empresas com estrutura para ter tal computador não deverão liberar acesso para qualquer um rodar qualquer programa, muito menos um algoritmo de quebra de criptografia. Quando totalmente disponíveis, os computadores quânticos terão um preço bastante elevado para uso por minuto, o que deve inibir um ataque em massa de quebra de chaves criptográficas.

Algoritmos resistentes a ataques quânticos já estão sendo desenvolvidos. Um outro caminho é utilizar técnicas como o ZKP (Zero-knowledge proof), onde não há segredo a ser descoberto, uma vez que a informação não trafega pela rede, e sim apenas o necessário para provar o que está em questão. De todo modo, a criptografia ainda deverá ser o elo mais forte, sobrando para as pontas (software cliente, por exemplo) manter uma segurança muito forte, pois é onde costumam se concentrar ataques. A engenharia social – que compreende a obtenção de dados secretos através de conversas pessoais ou dados disponíveis em redes sociais – é uma ameaça que independe de tecnologia para detê-la, e causa muitos estragos.

Em suma, assim como o temido Bug do ano 2.000, que ameaçava paralisar os sistemas de informação de todo o mundo na virada do ano de 1.999 para 2.000, devemos ainda acompanhar a evolução de todo o cenário para entender o que de fato acontecerá.

Fontes:

Quantum Threat to Blockchains: Shor’s and Grover’s Algorithms – https://codeburst.io/quantum-threat-to-blockchains-shors-and-grover-s-algorithms-9b01941bed01

How Will Quantum Computing Impact Blockchain Technology? https://medium.com/blockstreethq/https-medium-com-shaanray-how-quantum-computing-will-impact-blockchain-technology-f69e4a3af25e

Explainer: What is a quantum computer – https://www.technologyreview.com/s/612844/what-is-quantum-computing/

Qubit Counter – http://www.qubitcounter.com/

Quantum Cryptography Demystified: How It Works in Plain Language – https://www.extremetech.com/extreme/287094-quantum-cryptography

Intel Unveils ‘Breakthrough’ Quantum Computer – https://www.extremetech.com/computing/261734-intel-unveils-new-quantum-computer-declares-quantum-breakthrough

Como a Intel está se preparando para a Computação Quântica – https://canaltech.com.br/inovacao/como-a-intel-esta-explorando-a-computacao-quantica-124232/

 

 

Marcelo Creimer

Blockchain | IoT | Cognitive