Quantum

Abraçando nosso futuro quântico

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* Artigo IBM Policy Lab

O mundo está à beira de uma nova revolução computacional. E esta será impulsionada pela convergência de três tecnologias poderosas: a computação de alta performance, a Inteligência Artificial e a computação quântica.

A computação quântica não é simplesmente uma maneira mais rápida de fazer o que os computadores atuais fazem. Ela apresenta uma abordagem fundamentalmente diferente, que promete resolver problemas que a computação clássica jamais poderá resolver de maneira realista. Também mantém a promessa de ajudar a humanidade a enfrentar muitos desafios importantes, desde a solução de antigas questões da ciência, até a superação de barreiras para melhorar a eficiência industrial. E ao trabalharem em conjunto com os computadores tradicionais e arquiteturas baseadas na nuvem, os computadores quânticos podem até mesmo ser a resposta para problemas com os quais ainda nem sonhamos. As oportunidades para a sociedade e economia são potencialmente ilimitadas.

A computação quântica poderá ajudar a agilizar a resposta a futuras pandemias, às crises de saúde em andamento e à proliferação de doenças debilitantes que afetam milhões em todo o mundo, ao oferecer simulações químicas aperfeiçoadas para a descoberta e desenvolvimento de medicamentos. Será capaz de melhorar a precisão das simulações de fluidodinâmica computacional (CFD), permitindo a aplicação de métodos de baixo custo para aprimorar os processos de design e fabricação. Ela ainda pode auxiliar na otimização das estratégias de investimento em portfólio, ao utilizar técnicas de modelagem avançadas que podem analisar melhor o comportamento de mercados complexos financeiramente.

Por outro lado, os computadores quânticos também representam um desafio para uma área muito importante do ambiente digital: a criptografia.

O Enigma da Criptografia

Como mencionado em um estudo recente com colaboração do IBM Research, os avanços na computação quântica trarão um desafio significativo para a segurança da informação. O mundo já depende muito da criptografia para proteger dados e infraestruturas críticas e, à medida que migramos para uma era em que os computadores quânticos se tornam mais onipresentes, as plataformas digitais projetadas e implementadas na atualidade podem se tornar cada vez mais vulneráveis ​​ se não houver o desenvolvimento e a adoção simultâneos de uma criptografia quântica segura.

Ainda estamos muito longe de uma realidade em que os computadores quânticos poderiam quebrar a criptografia atual – e já sabemos como implementar uma criptografia resistente a ataques de computadores quânticos. No entanto, os algoritmos básicos de segurança quântica são apenas o começo. Muitos padrões e protocolos de segurança da indústria precisam ser atualizados para os novos algoritmos, e os avanços na computação quântica também precisarão coincidir com os avanços na criptografia quântica, de modo a garantir que os dados estejam protegidos desde já contra ameaças futuras.

O amanhã precisa ser testado no presente

Para estarmos preparados para o que vem adiante, os formuladores de políticas públicas e a indústria precisam trabalhar pela mitigação de riscos, preparando-nos para o futuro ainda no presente. É necessário agir desde já.

E a IBM está. Nossos pesquisadores estão desenvolvendo soluções criptográficas resistentes às ameaças representadas pelos computadores quânticos. Encontramos uma série de mecanismos criptográficos que atualmente são considerados seguros para a era quântica, entre elas, criptografia baseada em rede (lattice), árvores hash, equações multivariadas e curvas elípticas supersingulares (isogenia supersingular).

A principal vantagem destes esquemas de segurança quântica é a ausência de estruturas exploráveis no problema matemático que o invasor precisa resolver para quebrar a criptografia. Certos regimes de segurança quântica, como, por exemplo, a isogenia supersingular, são à prova de ataques de ação futura – ataques que se dedicam a armazenar “pacientemente” as mensagens criptografadas de suas vítimas – com o intuito de descriptografá-las no futuro, com métodos mais poderosos. Outros esquemas, como, por exemplo, a criptografia em rede (lattice) podem habilitar tecnologias transformadoras, como a criptografia totalmente homomórfica, na qual os dados podem ser diretamente computados em sua forma criptografada, de forma a desarmar uma estratégia bastante comum dos invasores, que consiste em permanecer no sistema de computador da vítima até que os dados confidenciais tenham que ser descriptografados para permitir a realização de cálculos.

Para trazer progressos nestes e outros métodos inovadores de proteção de dados para a era da computação quântica, trabalhamos em colaboração com instituições acadêmicas como a Universidade de Waterloo e a Universidade de Toronto, de modo a fazer avançar a ciência por trás das técnicas. A IBM também está envolvida em esforços globais para padronizar a criptografia quântica segura. O mais notável deles é o processo NIST PQC. A IBM submeteu vários algoritmos ao processo NIST PQC e está trabalhando em estreita colaboração com outros líderes de mercado nas organizações de desenvolvimento de padrões como ETSI, ISO e ANSI.

Os governos também têm um papel muito importante a desempenhar neste processo. De modo a complementar o engajamento da indústria privada no desenvolvimento de padrões, eles precisam acelerar os investimentos e promover a adoção de mecanismos criptográficos quânticos seguros, que possam proteger os dados agora e no futuro.

Prontidão Quântica

Empresas e governos orientados para o futuro jestão se preparando para a computação quântica e já se posicionam para capturar os muitos benefícios desta tecnologia. No entanto, muito mais pode e deve ser feito, e para isso, a colaboração é crucial. Governos, pesquisadores, acadêmicos e a indústria precisarão trabalhar juntos em políticas para acelerar a adoção de novos currículos educacionais, financiar P&D, formação de talentos e muito mais.

E enquanto os governos vão em busca da liderança na computação quântica, os formuladores de políticas devem considerar as seguintes recomendações:

  1.  Os governos devem recomendar a adoção da criptografia quântica segura desde já. Assim será possível lidar adequadamente com ameaças futuras aos dados que estão sendo criptografados hoje.
  2. Os organismos de desenvolvimento de padrões e seus membros devem acelerar esforços no que diz respeito a novos esquemas criptográficos de segurança quântica e priorizar fluxos de trabalho para estabelecer uma infraestrutura quântica segura. Agências governamentais devem liderar a mobilização da indústria para acordar padrões criptográficos de segurança quântica, trabalhando também com parceiros internacionais.
  3. As agências governamentais devem respaldar o desenvolvimento de computadores quânticos por meio de investimentos significativos e de longo prazo na ciência quântica, de modo a garantir a posição de suas nações na vanguarda desta corrida tecnológica. A pesquisa fundamental em teoria, hardware e software quânticos inclui o desenvolvimento de novos qubits – bem como métodos para melhorar a qualidade e desempenho destes qubits em circuitos quânticos -, técnicas para mitigar e corrigir erros, desenvolvimento de circuitos quânticos e esquemas de compilação otimizados, bem como componentes para possibilitar o desenvolvimento de tecnologias avançadas de escalonamento.
  4. As agências governamentais precisam apoiar a rápida implantação de sistemas quânticos avançados e confiáveis, sendo as primeiras a adotá-los, impulsionando um ecossistema de desenvolvimento de pesquisa, software e algoritmos, bem como a comercialização. É essencial promover a aceitação e experimentação por parte da indústria e a construção de ecossistemas em paralelo aos esforços para avançar no desenvolvimento de hardware e dos sistemas em si.
  5. Os governos devem promover uma estrutura colaborativa que envolva laboratórios nacionais, universidades, indústria e parceiros internacionais para o avanço da tecnologia e para construir uma vantagem competitiva. Governo, academia e indústria precisam trabalhar juntos para promover a ciência fundamental e executar um cronograma de desenvolvimento eficiente e agressivo, com métricas significativas e bem definidas.
  6. Os governos precisam atuar na construção de um ecossistema tecnológico robusto e na cadeia de suprimentos para a indústria quântica, além de promover a educação e a capacitação da força de trabalho para tornar a indústria sustentável. Exemplos de iniciativas para construir cadeias de suprimentos na indústria quântica incluem o Quantum Economic Development Consortium (QED-C), nos Estados Unidos, e a colaboração da IBM com a Fraunhofer-Gesellschaft, organização da Alemanha que é líder em pesquisa aplicada na Europa.
  7. As organizações de desenvolvimento de padrões devem priorizar a atualização dos padrões industriais relevantes para o sistema, tais como os de infraestrutura crítica e da indústria financeira. Os esforços devem incluir atualizações das normas ISO 27001, COBIT, NIST SP 800-53, ANSI / ISA-62443 e padrões desenvolvidos pelo Council on Cybersecurity Critical Security Controls.

 

Clique para baixar o artigo completo em pdf


*Texto original de Ryan Hagemann, Codiretor, IBM Policy Lab e Zaira Nazario, Líder Técnica de Teoria Quântica, Algoritmos e Aplicativos, IBM Quantum. Adaptações da equipe de Relações  Governamentais da IBM América Latina.

Para ler o blog post original, clique aqui.

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