2 de Agosto de 2021 Robert Bibeau
Fonte A Carreira Quântica: Do Militarismo à Privatização da Internet • Communia Tradução:
Protótipo de computador quântico baseado em luz em Jiuzhang, China. Com este computador, a China assumiu a liderança na via quântica.
A China assume a liderança contra os Estados Unidos na
via quântica. Na semana passada, anunciou que havia superado o computador quântico
mais avançado do Google. Enquanto isso, a IBM começou a instalar na Alemanha um
grande projecto para desenvolver computadores quânticos anunciados pelo
alardeamento mediático e pelo governo alemão, o que garante que gerará 75 biliões
de euros em "valor". O conflito imperialista está a ser jogado em
vários lados ao mesmo tempo. A tecnologia da informação e, em particular, a
computação quântica estão entre as principais.
conteúdo
§
Via quântica: uma nova versão
da corrida espacial?
§
Como construir um computador
quântico?
§ Criptografia quântica e controle do capital sobre comunicações
Via quântica: uma nova
versão da corrida espacial?
A China aproveitou a via quântica fazendo comunicar o satélite Mozi com uma estação terrestre na província de Hubei.
Um dos primeiros aspectos que a media destaca sobre essa via tecnológica
entre potências é a sua semelhança com a corrida espacial da Guerra Fria:
As tensões entre os EUA e a China estão actualmente
no seu nível mais alto em décadas, com países em conflito sobre
comércio, direitos humanos, preocupações com espionagem, COVID e Taiwan. Após a
demonstração da China do satélite Mozi [墨] em 2017, políticos dos EUA responderam dedicando
centenas de milhões de dólares à ciência da informação quântica através da
Iniciativa Quantum Nacional. Foi um déjà vu preocupante. Sessenta anos antes,
os EUA haviam sido pressionados a financiar outra iniciativa em larga escala –
a exploração espacial – por medo de um pequeno satélite soviético chamado
Sputnik.
E projectos de computação quântica e planos espaciais – dos quais tentaram expulsar a Suíça, o Reino Unido e Israel recentemente – não são realmente direccionados para a UE, e nos EUA são os técnicos da NASA que estão a liderar a via quântica.
Mas o que é que há de especial na computação quântica para interessar
tantos poderes mundiais e movimentar tanto investimento? Tudo é baseado nas
características um tanto bizarras da matéria numa escala incrivelmente pequena.
Uma introdução básica
Núcleo do computador quântico do Google. Os Estados Unidos estão atrasados na corrida quântica.
Num computador digital clássico, as operações lógicas são baseadas em estados binários: 0 ou 1 e, à primeira vista, este também é o caso em sistemas de partículas usados por um computador quântico.
Um eléctron, por exemplo, pode ser encontrado
quando medido em 2 estados possíveis, chamados de spin up ou down. É
assim que eles se encontram ao redor do núcleo dos átomos, cada órbita composta de pares de eléctrons de spin oposto.
No entanto, os resultados experimentais não corresponderam a essa explicação do mundo microscópico. Embora as partículas estejam sempre a girar para cima ou para baixo no momento da medição, fora deste momento o seu comportamento é mais como uma mistura dos dois estados extremos, aquilo a que se chama sobreposição.
Uma maneira possível de representar este puzzle era deixar de lado os métodos matemáticos da mecânica
clássica e adoptar como representação os sistemas de vectores e geometrias
especiais.
Uma simples representação geométrica é tipicamente usada para explicar fenómenos
quânticos e as operações de computadores quânticos. Os dois estados mutuamente
exclusivos estão representados nos polos opostos de um círculo de raio 1 e a sua
sobreposição é representada como qualquer ponto nesta circunferência (Figura A
no gráfico abaixo).
Assim, qualquer ponto pode ser representado
como a combinação (vectorial) dos dois estados multiplicada por
um coeficiente cada um (no caso de um sistema quântico, esses coeficientes
representam a probabilidade de que, quando medido, o sistema esteja a girar – spin - para cima ou para baixo). Uma
consequência aparece imediatamente, e é uma das principais vantagens da
computação quântica: existem infinitos pontos na circunferência e o sistema
pode fazer enormes cálculos em paralelo ao longo da sobreposição.
Na realidade, os estados quânticos não podem ser representados usando a geometria normal – euclidiana – de uma vida, e uma extensão especial da geometria que envolve mudar o nosso círculo para uma esfera, a esfera bloch, deve ser usada. A esfera funciona da mesma forma que o círculo, e os estados quânticos são representados como pontos na sua superfície.
Assim, estados sobrepostos, partículas a manipular computadores quânticos
são representadas graficamente como vectores apontando pontos numa esfera, e
todos as portas lógicas usadas pelos computadores são baseadas em mudanças no
estado de sobreposição que são equivalentes às transferências desses pontos na
esfera (como pode ser visto na Figura 1 – C).
Figura 1: à esquerda: representação dos dois estados excluindo mutuamente uma partícula quando é medida (spin, por exemplo) como vectores antiparaleux. À direita: sobreposição dos dois estados (combinação dos dois vectores dando pontos intermediários na circunferência). b Esfera bloch, uma situação equivalente à do círculo, mas com dois ângulos. c Resultado experimental mostrando o "movimento" dos Estados na esfera aplicando várias portas lógicas. Imagem (c) https://link.springer.com/article/10.1007/s40509-019-00198-2/
Criptografia e via
quântica
A UE não quer ser excluída da corrida quântica. Na foto, apresentação do programa de pesquisa estratégica vinculado aos fundos europeus para pesquisa quântica.
Qual é o objetivo de todo esse desenvolvimento teórico? Uma das aplicações
quânticas que mais interessam aos militares da via quântica pode ser explicada
pelo que já expusemos.
Um par de estados (vectores) é
suficiente para produzir todos os pontos do círculo e este par é designado por base. Em partículas
usadas para enviar sinais, como fótons, uma série de bases diferentes podem ser
usadas para codificar o sinal sobrepondo os estados quando ele é enviado. O
importante é que para ser capaz de ler correctamente uma partícula
enviada como um sinal para um receptor, você tem que saber com base em que base
as informações foram codificadas, mas você acaba por obter um resultado
completamente aleatório.
Neste mesmo princípio baseia-se uma série de famosos protocolos de criptografia quântica que permite enviar informações entre dois agentes, o primeiro agente criptografando os sinais usando bases aleatórias e somente após a recepção pelo receptor de todos os fótons que comunicam parte das bases utilizadas.
Nestes protocolos, qualquer interferência ou escuta é imediatamente
detectada e impossível de esconder. Qualquer espião precisa interagir
com as partículas na linha para poder ouvir a conversa, mas ao fazê-lo, a
sobreposição de estados desaparece e – sem saber com antecedência a base em que
cada um foi criptografado – necessariamente desvia os resultados esperados pelo
receptor se não havia ninguém a ouvir.
O primeiro objectivo dos grupos de pesquisa de via quântica é a criptografia: realizar comunicações que sejam à prova dos sistemas de interceptação e criptografia do rival.
Como construir um
computador quântico?
A utilidade – pelo menos para os militares – da via quântica é clara. E tudo passa pela criação de um sistema para manipular os estados quânticos das partículas. Mas como construir um dispositivo capaz de fazer isso é outra questão.
Computadores clássicos não manipulam eléctrons individuais e é extremamente complicado fazer isso com computadores quânticos. Seria apropriado poder ter uma megapartícula facilmente manipulada e estável num circuito para jogar com ela por uma curva física. Isso é exactamente o que muitos dos computadores quânticos mais poderosos como o da IBM fazem.
Dissemos anteriormente que os eléctrons não podem estar em grupos de mais de dois para o mesmo nível de energia, como quando formam as órbitas ordenadas dos átomos ou se movem livremente na forma de uma nuvem desordenada. Na verdade, isso é apenas meia verdade.
Se de repente baixarmos a temperatura para valores próximos de 0 absolutos, os eléctrons livres que circulam num metal mudam completamente o seu comportamento, todos se reúnem no mesmo nível de energia e começam a comportar-se como uma enorme megapartícula no que é designado por supracondutividade.
Usando as mesmas ferramentas usadas para chips de silício e
microimpressoras removendo cuidadosamente pontes e intersecções (ver Figura
2a,b), pode-se construir um sistema quântico que equivale a um único sistema de
eléctrons, mas numa escala muito maior e manipuladora.
Figura 2. a Computador quântico sino-japonês com qubits de supracondutividade. Os qubits não são os círculos cinzentos, mas as pequenas cruzes laranja nos cruzamentos. Cada qubit está interligado com os seus vizinhos por ressoadores para que eles possam interferir e processar uns com os outros. b) Diagrama de uma unidade com 4 qubits. c) os dois estados básicos do qubit. A e b https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948, c de https://sambader.net/wp-content/uploads/2013/12/Transmon_Paper.pdf
Esses qubits (bits quânticos) têm dois estados quânticos que podem sobrepor-se como os de um eléctron graças às impulsões de micro-ondas enviadas pelas portas lógicas (XYZ na figura, referem-se a rotações ao redor dos eixos da esfera bloch).
Mas o verdadeiro poder de um computador quântico não é baseado na capacidade de um qubit individual. Sim, é verdade que um único qubit pode estar numa sobreposição com valores enormes, mas quando medido, todas as informações são perdidas e retornam a 0 ou 1.
Algoritmos quânticos são a verdadeira
força de um computador quântico, e eles dependem da interacção de vários
qubits uns com os outros para ler indirectamente as operações paralelas que
alguns qubits fazem medindo outros qubits que interferem com eles.
Colocando muitos qubits em paralelo (Figura 3a), podemos realizar muitas das funções que fascinam tanto os militares na via quântica. Controlando que portas se aplicam a que qubits ao longo do tempo e quais qubits interferem entre si, você pode usar o poder de estados sobrepostos em certos qubits para fazer um monte de operações paralelas, como quebrar criptografias militares baseadas em logaritmos ou grandes números primos.
Da mesma forma, um pouco mais útil às necessidades humanas, seria usado para calcular a semelhança entre dois gráficos calculando simultaneamente todos os canais (Figura 3b).
Figura 3. a Exemplo de um algoritmo quântico com 10 qubits. As linhas horizontais realmente não representam um circuito, mas a passagem do tempo, o qubit é imóvel e as portas lógicas (quadrados) são aplicadas a ele sequencialmente e interagem com outros (linhas verticais). b) Resultado de um algoritmo para calcular a similaridade entre diferentes gráficos, o resultado é obtido a partir de 3 vectores. Imagem adaptada de https://www.nature.com/articles/s41467-019-13534-2, b de https://www.nature.com/articles/s41586-021-03202-1
Criptografia quântica
e controle do capital sobre comunicações
No entanto, por mais atraente que seja quebrar os códigos dos outros, o principal interesse militar e comercial da via quântica não está nos próprios computadores quânticos. De facto, sempre houve dúvidas sobre a sua real utilidade, pois o número de algoritmos em que eles mostram uma vantagem real sobre computadores convencionais é muito pequeno e consiste em pouca aplicabilidade para a maioria dos problemas. Computadores quânticos do dia-a-dia estão a anos-luz de um computador clássico.
Algoritmos podem fascinar físicos e teóricos dos computadores, mas eles não compensam o enorme custo de manutenção de equipamentos a temperaturas minúsculas ou o seu custo de fabrico. O interesse da corrida quântica pelo capital é bem diferente.
Usando hardware semelhante ao de
algoritmos e usando outra propriedade surpreendente de quantum – o
processamento – um estado pode ser distribuído entre várias partículas
entrelaçadas, permitindo que elas se comuniquem instantaneamente. Estas são
as chaves
quânticas ultra-seguras que são muito faladas hoje em tudo o que se
refere à via quântica.
Quando você mede uma das duas (ou mais) partículas entrelaçadas, ela perde os seus estados sobrepostos e retorna a 0 ou 1 como esperado, mas o interessante é que a outra partícula também é afectada instantaneamente e independentemente da distância e sem que nada seja enviado entre os dois. É o sonho de uma comunicação impossível de interceptar, e é nesse sentido que os chineses têm muitas vantagens na via quântica.
Combinando o que vimos até agora com este novo aspecto, os protocolos mais avançados propõem usar uma série de portas lógicas para – de forma semelhante à interferência que vimos acima – distribuir o estado quântico entre diferentes partículas e enviá-las para diferentes agentes (Figura 4b).
Figura 4 a) Planos para uma "Internet quântica" através da distribuição centralizada de chaves intercaladas. b Mecanismo de entrelaçar partículas juntas através de uma série de portas lógicas quânticas. B adequado a partir de https://science.sciencemag.org/content/372/6539/259
E é aí que o capital está realmente animado no meio de uma orgia de investimentos: sonha em poder centralizar a distribuição dessas chaves para uma "nova internet quântica" entre as mãos de quatro capitais que podem pagar investimento e tecnologia:
Uma rede quântica completa aspira a mais. Ela não
apenas transmitiria partículas entrelaçadas, mas "distribuiria o
tratamento como um recurso", diz Neil Zimmerman, físico do Instituto
Nacional de Padrões e Tecnologia, permitindo que os dispositivos se
entrelaçassem por longos períodos de tempo, compartilhando e explorando
informações quânticas. [...]
Para ir mais longe, alguns também consideram um análogo da computação em
nuvem: a chamada computação quântica cega. A ideia é que os computadores
quânticos mais poderosos estejam um dia localizados em laboratórios nacionais,
universidades e empresas, assim como os supercomputadores de hoje.
Há claramente o que está sob a via quântica: toda o espectro, desde usos militares até à criação de um novo campo de investimento para grandes capitais sem destinos rentáveis. Ao longo do caminho: a perspectiva de uma concentração ainda maior do controlo de comunicações. Numa palavra: imperialismo.
A via quântica é mais uma prova de que o capitalismo actual, longe de
atender a mais necessidades humanas e produzir o verdadeiro desenvolvimento humano,
só cria ainda mais escassez e distorce no seu próprio interesse todos os
desenvolvimentos e avanços no conhecimento social.
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Fonte: LA COURSE QUANTIQUE: DE LA MILITARISATION À LA CAPITALISATION D’INTERNET –
les 7 du quebec
Este
artigo foi traduzido para Língua Portuguesa por Luis Júdice
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