Os primeiros dados transmitidos pela Arpanet, precursora da Internet, passaram de um computador na Universidade da Califórnia, em Los Angeles, para outro no Stanford Research Institute, em Palo Alto, em 29 de outubro de 1969.
Naquela noite, a equipe da UCLA telefonou para a equipe do SRI e começou a digitar “LOGIN”. “Digitamos o L e perguntamos: ‘Você conseguiu o L?'”, Lembrou recentemente o cientista da computação da UCLA Leonard Kleinrock. “Sim” veio a resposta do SRI. Digitamos o O e perguntamos: ‘Você recebeu o O’ ” Sim. ‘Digitamos o G e perguntamos:’ Você recebeu o G? ‘Crash! O host do SRI caiu. Assim foi a primeira mensagem que lançou a revolução que agora chamamos de internet. ”
A capacidade das redes de transmitir dados – bem como sua tendência a travar, ou se comportar de maneira imprevisível – sempre fascinou Stephanie Wehner. “Em um único computador, as coisas vão acontecer de forma agradável e sequencial”, disse Wehner, físico e cientista da computação da Universidade de Tecnologia de Delft. “Em uma rede, muitas coisas inesperadas podem acontecer.” Isso é verdade em dois sentidos: os programas nos computadores conectados interferem entre si, com efeitos surpreendentes. E os usuários das redes são criativos. Com a internet, observou Wehner, inicialmente “as pessoas pensavam que a usaríamos para enviar alguns arquivos”.
Wehner ficou online pela primeira vez em 1992, alguns anos antes de ser fácil fazê-lo. Uma adolescente na Alemanha na época e já programadora de computadores hábil, ela logo se tornou uma hacker na incipiente internet. Aos 20 anos, ela conseguiu um emprego como hacker “bom”, eliminando vulnerabilidades de rede em nome de um provedor de Internet. Então ela ficou entediada com hackers e buscou uma compreensão mais profunda da transmissão de informações e redes.
Wehner é agora um dos líderes intelectuais do esforço para criar um novo tipo de internet a partir do zero. Ela está trabalhando para projetar a “internet quântica”, uma rede que transmitiria – em vez de bits clássicos com valores de 0 ou 1 – bits quânticos nos quais ambas as possibilidades, 0 e 1, coexistem. Esses “qubits” podem ser feitos de fótons que estão em uma combinação de duas polarizações diferentes. A capacidade de enviar qubits de um lugar para outro através de cabos de fibra óptica pode não transformar a sociedade tão completamente quanto a Internet clássica, mas mais uma vez revolucionaria muitos aspectos da ciência e da cultura, da segurança à computação e à astronomia.
Wehner é a coordenadora da Quantum Internet Alliance, uma iniciativa da União Europeia para construir uma rede de transmissão de informações quânticas em todo o continente. Em um artigo publicado na Science em outubro passado, ela e dois co-autores estabeleceram um plano de seis estágios para a realização da internet quântica, onde cada estágio de desenvolvimento suportará novos algoritmos e aplicativos. O primeiro estágio já está em andamento, com a construção de uma rede quântica de demonstração que conectará quatro cidades na Holanda – uma espécie de análogo da Arpanet. Tracy Northup, membro da Quantum Internet Alliance da Universidade de Innsbruck, elogiou “a amplitude da visão de Stephanie e seu compromisso em construir o tipo de estruturas de grande escala que farão isso acontecer”.
Depois de deixar o hacker de lado, Wehner foi para a universidade na Holanda para estudar ciência da computação e física. Ela ouviu o teórico da informação quântica John Preskill fazer uma palestra em Leiden descrevendo as vantagens dos bits quânticos para a comunicação. Alguns anos depois, depois de obter seu doutorado, ela deixou para trás partes clássicas e ingressou no grupo de Preskill no Instituto de Tecnologia da Califórnia como pós-doutorado.
Na Caltech, além de provar vários teoremas notáveis ??sobre informações quânticas, criptografia quântica e a própria natureza da mecânica quântica, Wehner emergiu como “um líder natural”, disse Preskill, que “costumava ser a cola que unia as pessoas”. , depois de um cargo de professor em Cingapura, ela se mudou para Delft, onde começou a colaborar com experimentalistas para estabelecer as bases para a internet quântica.
Essa entrevista com Wehner ocorreu durante dois dias em agosto. A entrevista foi condensada e editada para maior clareza.
A internet quântica é uma rede para transmissão de qubits entre locais distantes. Por que precisamos fazer isso?
A idéia não é substituir a internet que temos hoje, mas realmente adicionar funcionalidades novas e especiais. Existem todos os tipos de aplicações de redes quânticas que serão descobertas no futuro, mas já conhecemos várias delas. É claro que o aplicativo mais famoso é a comunicação segura: o fato de que se pode usar a comunicação quântica para executar o que é chamado de distribuição de chave quântica, onde a segurança é mantida mesmo que o invasor tenha um computador quântico. Um computador quântico seria capaz de quebrar muitos dos protocolos de segurança existentes hoje.
“Os computadores são interessantes, mas o que realmente me interessa é transmitir dados de um ponto para outro.“
O que torna as chaves quânticas tão seguras?
Uma boa maneira de entender o que uma internet quântica pode fazer é pensar em “emaranhamento quântico”, uma propriedade especial que dois bits quânticos podem ter que tornam tudo isso possível. A primeira propriedade do emaranhamento é que ela é “coordenada ao máximo”: eu teria um bit quântico aqui e você teria um bit quântico em Nova York, e usaríamos a internet quântica para enredar esses dois qubits. E então, se eu fizer uma medição do meu qubit aqui e você fizer a mesma em Nova York, sempre obteremos o mesmo resultado, mesmo que o resultado não tenha sido determinado com antecedência. Portanto, você pode pensar intuitivamente que uma Internet quântica é muito boa para tarefas que exigem coordenação, devido à primeira propriedade do emaranhamento quântico.
Agora, como essa coordenação é tão máxima, você pode dizer: “Ei, não seria ótimo se esse emaranhado pudesse ser compartilhado com centenas de pessoas?” Mas isso não é realmente possível. Portanto, a segunda propriedade do emaranhamento é que ela é inerentemente privada. Se meu qubit aqui está emaranhado com o seu qubit em Nova York, sabemos que nada mais pode ter parte desse emaranhado. E é por essa razão que a comunicação quântica é tão boa para problemas que exigem segurança.
Como uma das aplicações mais simples da comunicação quântica, a distribuição quântica de chaves pode estar disponível logo no início da década de 2020 na rede de demonstração que você está construindo. Quais são alguns dos aplicativos mais avançados que serão possíveis mais tarde?
Novos tipos de computação remota serão possíveis. Digamos que você tenha um design de material proprietário e deseje testar suas propriedades em uma simulação. Um computador quântico promete ser muito melhor nisso do que um computador clássico. Mas você pode imaginar que nem todo mundo no mundo terá um grande computador quântico em sua sala de estar tão cedo – possivelmente não em nossa vida. Uma maneira de fazer isso é enviar o design do material para mim, e eu faço uma simulação para você no meu computador quântico e digo o resultado. Isso é ótimo, mas agora também conheço seu design de material proprietário. Então, uma coisa que a rede quântica possibilita é que você possa usar um dispositivo quântico muito simples – na verdade, ele pode fazer apenas um qubit por vez – e a rede quântica pode transferir qubits do seu dispositivo para o meu poderoso computador quântico. E você pode usar esse computador quântico de tal maneira que ele não possa aprender qual é o seu design de material durante a computação.
Para dar outro exemplo, as pessoas também mostraram que o emaranhamento permite uma sincronização mais precisa do relógio entre dois locais, o que terá muitos aplicações práticas. Uma internet quântica também poderia ser usada para criar um telescópio melhor, basicamente combinando telescópios distantes. O estado das partículas de luz que entram no telescópio 1 são teletransportadas, usando emaranhamento quântico, para o telescópio 2 e, em seguida, são combinadas com a luz do telescópio 2.
Você também está trabalhando na simulação da futura Internet quântica. Por que isso é necessário?
Com essa extensa plataforma de simulação que construímos recentemente, que agora está sendo executada em um supercomputador, podemos explorar diferentes configurações de redes quânticas e entender melhor as propriedades que são muito difíceis de prever analiticamente. Dessa forma, esperamos encontrar um design escalável que possa permitir a comunicação quântica em toda a Europa.
A imprevisibilidade das redes é algo que sempre me fascinou. Os computadores são interessantes, mas o que realmente me interessa é transmitir dados de um ponto para outro. Essa é a razão pela qual eu entrei no hackeamento e me interessei pela Internet clássica e obtive acesso a ela em primeiro lugar. É fundamentalmente muito difícil entender o que acontece em uma rede, porque existem muitas coisas não caracterizadas. Por exemplo, se você deseja enviar uma mensagem, não pode prever exatamente quanto tempo pode demorar. A mensagem pode ser perdida. Um computador pode falhar. Pode ir muito devagar; isso pode corromper os dados. Pode ter mudado o protocolo de maneiras inesperadas, porque é uma versão antiga, nova ou maliciosa.
“Às vezes, há um julgamento nas ciências de que algumas perguntas são fundamentais e outras são mundanas. Eu acho que trazer algo para o mundo real que as pessoas possam realmente usar nunca é mundano.”
Você era um hacker ruim antes de se tornar um bom hacker?
Isso não é algo que se pode dizer em entrevistas! Eu acho que o mundo era um lugar melhor naquela época. Mas não confesso nada. (Risos)
Por que você decidiu parar de invadir e se tornar um cientista?
Eu sei que hackers parece super emocionante, mas eu já fazia isso há algum tempo. É claro que se melhora os métodos, mas é tudo um pouco mais do mesmo. Fiquei entediado e decidi explorar algumas novas aventuras. E então eu descobri a teoria da informação quântica e isso foi super fascinante.
Um teorema que você provou sobre informações quânticas é o teorema de armazenamento barulhento. O que é isso e quais são as implicações para a comunicação quântica?
Armazenamento barulhento é sobre criptografia com uma suposição física. No mundo clássico, muitas vezes se faz uma suposição computacional. Por exemplo, você supõe que é difícil determinar os fatores primos de grandes números e, se essa suposição for verdadeira, meu protocolo estará seguro. Essas provas de segurança são boas e estão em todos os lugares, mas é preciso perceber que podem ser invalidadas mais tarde. Se em algum momento futuro alguém inventar um procedimento inteligente para resolver o problema computacional em que sua segurança se baseia, a segurança poderá ser retroativamente quebrada. Por exemplo, quando temos computadores quânticos, eles serão capazes de fatorar grandes números e, portanto, a segurança baseada em fatoração será quebrada. Se alguém gravar suas mensagens hoje, poderá ser descriptografado mais tarde.
O trabalho de armazenamento barulhento era sobre: ??podemos fazer uma suposição física que não pode ser quebrada retroativamente? A suposição física é que é difícil armazenar muitos estados quânticos sem ruído, o que só precisa ser verdadeiro em um período de tempo muito curto. Se eu assumir que, no momento, você só pode armazenar até 1 milhão de qubits ruidosos, posso tratar meus parâmetros de protocolo para aumentar a segurança enviando mais informações do que esses milhões de qubits ruidosos podem capturar. Isso é bom porque, se amanhã você comprar memória quântica com 2 milhões de qubits, será tarde demais; as informações já foram enviadas com segurança.
Isso nos permitiria implementar todos os tipos de protocolos na comunicação quântica. Digamos que duas pessoas queiram comparar as senhas uma da outra sem nunca as revelar. Não é o que fazemos agora, quando você usa um caixa eletrônico e digita seu PIN – em vez disso, digito o PIN no meu próprio dispositivo e ele nunca será vazado para o caixa eletrônico. Esse protocolo se torna possível com a suposição de armazenamento barulhento.
É provável que a busca pela Internet quântica promova insights fundamentais sobre as leis da natureza – uma espécie de abordagem da ciência que aprende fazendo?
Às vezes, há um julgamento nas ciências de que algumas perguntas são fundamentais e outras são mundanas. Eu acho que trazer algo para o mundo real que as pessoas possam realmente usar nunca é mundano. É extremamente difícil. Há um salto absolutamente alucinante de “Eu tenho essa ótima ideia; vamos discuti-lo no quadro branco “, no celular que estou usando no momento para falar com você. Com a internet quântica, estamos tentando fazer isso do zero. De zero. Desde um experimento em estágio inicial no laboratório até essa rede que estamos tentando instalar na Holanda, para algo que está fora do laboratório, que funciona a distância, que pode ser usado por pessoas, com quem eles podem brincar, depois, por pessoas que não precisam conhecer a física para fazê-lo. Se uma parte do sistema já existisse, poderíamos dizer: “Agora vamos melhorar isso”. Mas o passo de zero para a primeira versão é muito grande.
Ao fazer isso, acho que teremos um entendimento mais fundamental em várias áreas. Aprenderemos mais sobre a física, tornando essas redes possíveis, porque atualmente não sabemos exatamente como fazê-lo. Ainda estamos testando diferentes tipos de nós e repetidores quânticos, dispositivos que retransmitem o emaranhado por grandes distâncias. E no domínio da ciência da computação, aprenderemos uma maneira totalmente nova de programar e controlar essas redes devido a diferenças fundamentais da comunicação clássica.
Mas também acho que, usando essa rede, obtemos informações sobre criatividade e ciências sociais – sobre como, de fato, as pessoas vão usar essas redes. Se você olhar para a Internet clássica, as pessoas pensaram que a usaríamos para enviar alguns arquivos. Isso é ótimo. Mas as pessoas ficaram mais criativas.
Acho que é difícil definir uma linha do tempo para tudo isso, mas na sua vida você espera ver o que você descreveria legitimamente como uma Internet quântica?
Eu ficaria otimista sobre isso, sim.
Publicado em 30/09/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/stephanie-wehner-is-designing-a-quantum-internet-20190925
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