Uma conquista científica suíça totalmente inesperada

O projeto, realizado na ETH Zurique, envolveu dois criostatos interligados que arrefeceram unidades supercondutoras denominadas qubits, que se comportam de acordo com a mecânica quântica. ETH Zurich

Os sistemas de criptografia dependem de números “aleatórios”, mas os computadores convencionais não conseguem gerá-los com perfeição. Uma nova pesquisa realizada no Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH Zurich) mostra que a física quântica é capaz de resolver esse problema.

Pesquisadores na Suíça trabalharam por 10 anos em um projeto que custou US$ 12 milhões. E imagina o que obtiveram como resultado e publicaram na revista Nature no mês passado?

Alguns números realmente, realmente aleatórios.

Os números aleatórios são os guardiões das informações digitais, que circulam pela internet por meio de um sistema de chaves públicas e privadas. As chaves privadas consistem em centenas de bits (bits são zeros ou uns que codificam números extremamente grandes) gerados por um computador. Os computadores podem chegar muito pertoLink externo de alcançar a verdadeira aleatoriedade, mas são sempre movidos por um processo, com premissas e condições.

Um processo pode ser complexo e difícil de desvendar, mas não pode ser verdadeiramente aleatório. “Se você soubesse o que o computador está calculando, seria capaz de prever o resultado com exatidão”, disse Morgan W. Mitchell, físico quântico do Instituto de Ciências Fotônicas de Barcelona. “Você seria capaz de dizer exatamente qual seria o resultado.” Os hackers se tornaram especialistas em usar a matemática para sondar sistemas criptografados em busca de sinais de aleatoriedade fraca, o que pode lhes dar acesso às chaves privadas.

Resultado “efetivamente perfeito”

O grupo suíço tentou então resolver esse problema por meio de um processo chamado amplificação de aleatoriedade, que pega números aleatórios de menor qualidade e os potencializa por meio da física quântica. O resultado publicado são números aleatórios que são “efetivamente perfeitos”, aponta Mitchell, que não fez parte da equipe suíça.

Outros pesquisadores também alcançaram recentemente resultados impressionantes buscando gerar números aleatórios, mas se valendo de maior dependência de computadores. De maneira diferente, o experimento suíço traz uma validação completamente independente do poder de processamento computacional.

“Estamos, de certa forma, confiando na física”, disse Mitchell.

O artigo resultante “representa a demonstração mais convincente até o momento de que é possível produzir aleatoriedade de alta qualidade a partir de processos quânticos”, afirmou Roger Colbeck, professor de teoria da informação quântica no King’s College London e pioneiro no campo da aleatoriedade quântica.

O projeto suíço, conduzido na universidade ETH Zurich, exigiu dois refrigeradores conectados funcionando a uma temperatura pouco acima do zero absoluto, a 15 milikelvin, o que é aproximadamente 180 vezes mais frio do que o espaço sideral. Esses criostatos, como são conhecidos, resfriavam circuitos supercondutores chamados qubits, que se comportam de acordo com a mecânica quântica.

Uma imagem das proteções contra radiação (em corte transversal) do link quântico criogênico que conectava os dois refrigeradores de super-resfriamento no experimento. Kilian Kessler/ETH Zurich

O desafio enfrentado pela equipe suíça era encontrar uma maneira de aproveitar a aleatoriedade bruta dos qubits super-resfriados sem contaminar o experimento com a física clássica. É extremamente difícil manter condições quânticas puras. Inevitavelmente, a velha e enfadonha realidade não quântica se infiltra, prejudicando a qualidade dos números aleatórios.

“É preciso aleatoriedade para gerar aleatoriedade”, disse Krister Shalm, professor de física quântica da Universidade do Colorado e pesquisador sênior associado do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, que não participou do experimento suíço.

A inovação fundamental do novo experimento foi a colocação dos dois qubits em um vínculo estreito conhecido como entrelaçamento, o que só é possível sob condições quânticas. “O avanço é que criamos entrelaçamento com qualidade e taxa suficientemente altas, de modo que é praticamente viável gerar números aleatórios por meio dele”, disse Andreas Wallraff, físico e coautor do artigo publicado na Nature.

Ao longo de nove horas, os pesquisadores utilizaram seu arranjo experimental para medir os qubits entrelaçados 1,34 bilhão de vezes. Com base nos resultados dessas medições quânticas, um algoritmo extrator transformou 5,4 bilhões de bits provenientes de um gerador de números aleatórios um pouco menos sofisticado em 45 milhões de bits de aleatoriedade de altíssima qualidade.

“Este trabalho representa um avanço genuíno na área”, disse Shalm.

Considerando todas as informações criptografadasLink externo que circulam pela internet — potencialmente cerca de 20 exabytes por dia —, o ganho para um hacker experiente poderia ser imenso, mesmo que sua taxa de acerto fosse relativamente baixa. Em 2012, pesquisadores utilizaram uma abordagem direta (o algoritmo de Euclides, um conceito matemático básico) para descobrir que 0,2% das chaves públicas em um banco de dados não eram aleatórias o suficiente. Embora pareça pouco, isso foi considerado uma enorme falha de segurança, considerando que o banco de dados continha 7,1 milhões de chaves.

“Na criptografia, por mais paranóico que você ache que seja, você não é paranóico o suficiente”, disse Shalm. Ecoando o mesmo tema, Mitchell afirmou que a equipe suíça foi “capaz de gerar aleatoriedade na qual até mesmo um usuário paranóico pode confiar”. (A paranóia parece, com razão, ser um sentimento comum na criptografia quântica.)

Em 2010, a plataforma de jogos PlayStation 3 teve suas defesas violadas por hackers que descobriram que a Sony estava reutilizando seus números aleatórios. Em um ataque de 2023 conhecido como Milk Sad, hackers exploraram a geração de chaves privadas fracas pela ferramenta de criptomoedas Libbitcoin Explorer. Eles roubaram US$ 900.000.

“Se você usar a fonte de aleatoriedade mais pura que puder obter”, disse Wallraff, “pode resolver esse problema.”

Este artigo foi publicado originalmente no The New York TimesLink externo.

Adaptação: Clarissa Levy