Criptomoedas e Computadores Quânticos

Os computadores quânticos são máquinas poderosas que podem resolver equações complexas muito mais rapidamente do que os computadores comuns. Alguns especialistas estimam que eles poderiam, em poucos minutos, quebrar uma criptografia que os computadores mais rápidos de hoje levariam milhares de anos para quebrar. Desta forma, a maior parte da infraestrutura de segurança digital atual poderia estar em risco — incluindo a criptografia por trás do Bitcoin e das criptomoedas

Um computador quântico é uma máquina capaz de manipular informações armazenadas em sistemas quânticos, tais como giros de elétrons (o campo magnético dos elétrons), níveis de energia dos átomos, e até mesmo polarização de fótons.

Segurança na Internet e Criptografia Assimétrica

A criptografia assimétrica (também conhecida como criptografia de chave pública) é um componente crítico do ecossistema de moedas cripto e de grande parte da infra-estrutura da Internet.

Ela depende de um par de chaves para criptografar e decodificar informações — ou seja, uma chave pública para criptografar e uma chave privada para decodificar. Em contraste, a criptografia de chave simétrica usa apenas uma chave para criptografar e decodificar dados.

Uma chave pública pode ser livremente compartilhada e usada para criptografar informações, que só podem ser decifradas com a chave privada correspondente. Isto assegura que somente o destinatário possa acessar as informações criptografadas.

Uma das principais vantagens da criptografia assimétrica é a capacidade de trocar informações sem a necessidade de compartilhar uma chave comum sobre um canal não confiável. Sem esta capacidade, a segurança das informações básicas seria impossível na Internet. Sem a capacidade de criptografar com segurança informações entre partes não confiáveis, seria difícil imaginar, por exemplo, bancos online.

Parte da segurança da criptografia assimétrica é baseada na suposição de que o algoritmo que gera o par de chaves torna incrivelmente difícil decifrar qual chave é a chave privada da chave pública, enquanto o cálculo da chave pública a partir da chave privada permanece simples. Em matemática, isto é chamado de “função arapuca”, porque é fácil fazer o cálculo em uma direção, mas difícil fazê-lo na outra direção.

Hoje os algoritmos mais modernos usados para gerar o par de chaves são baseados nestas funções matemáticas conhecidas como “trapdoor function”. Não é possível encontrar sua solução em um período de tempo viável para qualquer computador existente. Mesmo as máquinas mais potentes demorariam muito tempo para realizar estes cálculos.

Entretanto, isto pode mudar com o desenvolvimento de novos sistemas computacionais chamados computadores quânticos. Para entender porque os computadores quânticos são tão poderosos, vamos primeiro discutir como funcionam os computadores comuns.

Computadores Clássicos

Os computadores que conhecemos atualmente podem ser chamados computadores clássicos. Isto significa que os cálculos são feitos em uma ordem sequencial — uma tarefa computacional é executada e depois outra pode ser iniciada. Isto porque a memória em um computador clássico deve obedecer às leis da física e só pode ter um estado de 0 ou 1 (desligado ou ligado).

Existem vários métodos de hardware e software que permitem aos computadores decompor os cálculos complexos em partes menores para obter maior eficiência. Entretanto, o princípio básico permanece o mesmo. Uma atividade computacional deve ser finalizada antes que outra possa ser iniciada.

Vamos considerar o seguinte exemplo, onde um computador deve adivinhar uma chave de 4 bits. Cada um dos quatro bits pode ser zero ou um. Há 16 combinações possíveis, como mostrado na tabela abaixo:

Um computador clássico precisa adivinhar cada combinação separadamente, um de cada vez. Imagine ter uma fechadura e 16 teclas em um chaveiro. Cada uma das dezesseis chaves deve ser testada sem separado. Se a primeira não abrir a fechadura, ela pode ser a chave da próxima tentativa, e assim por diante, até que a chave correta abra a fechadura.

No entanto, conforme o comprimento da chave aumenta, o número de combinações possíveis aumenta de  modo exponencial. No exemplo acima, a adição de um bit extra ao comprimento da chave nos daria 5 bits e 32 combinações possíveis. Aumentar para 6 bits nos daria 64 combinações possíveis. Com 256 bits, o número de combinações possíveis está próximo do número estimado de átomos no universo observável.

Por outro modo, a velocidade de processamento computacional cresce somente linearmente. A duplicação da velocidade de processamento de um computador apenas resulta na duplicação do número de suposições que podem ser feitas em um determinado período. O crescimento exponencial supera de longe qualquer progresso linear na parte de adivinhação.

Estima-se que levaria milhares de anos para um sistema de computação clássico adivinhar uma chave de 55 bits. O tamanho mínimo recomendado para uma semente de Bitcoin é de 128 bits, com muitas carteiras utilizando implementações de 256 bits.

Aparentemente, a computação clássica não representa uma ameaça à criptografia assimétrica usada pelas Criptomoedas e pela infra-estrutura da Internet.

Computadores Quânticos

Atualmente existe uma classe de computadores, nos estágios iniciais de desenvolvimento, que seria capaz de resolver estes tipos de problemas de uma forma trivial — computadores quânticos. Os computadores quânticos são fundamentados nos elementos descritos na teoria da mecânica quântica, que analisa o comportamento das partículas subatômicas.

Nos computadores clássicos, um pouco é usado para representar informação e pode ter um estado 0 ou 1. Os computadores quânticos trabalham com bits quânticos ou qubits. Qubit é a unidade basilar de informação em um computador quântico. Assim como um bit, um qubit pode ter um estado de zero ou um. Entretanto, graças à peculiaridade dos fenômenos da mecânica quântica, o estado de um qubit também pode ser 0 e 1 em simultâneo.

Isto estimula a pesquisa e o desenvolvimento no campo da computação quântica, com universidades e empresas privadas investindo na exploração deste novo e promissor campo. Abordando tanto teorias abstratas quanto práticas, os problemas de engenharia deste campo estão na vanguarda da realização tecnológica humana.

Infelizmente, um efeito colateral do uso de computadores quânticos seria que os algoritmos que formam a base da criptografia assimétrica se tornariam facilmente decifráveis, o que causaria o colapso de todos os sistemas que dependem deles.

Vamos considerar novamente o exemplo da chave de 4 bits. Um computador de 4 bits seria teoricamente capaz de obter todos os 16 estados (combinações possíveis) de uma só vez, em uma única tarefa computacional. A probabilidade de encontrar a chave correta seria de 100% no tempo necessário para realizar o cálculo.

Criptografia Quantum-resistente

O surgimento da tecnologia de computação quântica pode comprometer a criptografia que sustenta a maioria de nossa moderna infra-estrutura digital, incluindo as moedas criptografadas.

Isto colocaria em risco a segurança, as operações e as comunicações do mundo inteiro, desde governos e empresas multinacionais até o usuário individual. Não é surpresa que muita pesquisa esteja sendo direcionada para o desenvolvimento de contramedidas à tecnologia quântica. Os algoritmos criptográficos que são supostamente seguros contra a ameaça dos computadores quânticos são conhecidos como “algoritmos quânticos-resistentes”.

Em um nível mais básico, parece que o risco associado aos computadores quânticos pode ser mitigado com a criptografia de chave simétrica, simplesmente aumentando o comprimento da chave. Entretanto, este tipo de criptografia foi substituído pela criptografia de chave assimétrica devido aos problemas de compartilhamento de uma chave secreta comum sobre um canal aberto. Entretanto, conforme a tecnologia de computação quântica evolui, a criptografia simétrica pode reaparecer como uma opção viável.

A questão do compartilhamento de uma chave comum em um canal aberto também pode ser resolvida com criptografia quântica. Há um progresso contínuo no desenvolvimento de contramedidas contra a escuta. Os bisbilhoteiros em um canal compartilhado podem ser detectados usando os mesmos princípios necessários para o desenvolvimento de computadores quânticos. Isto tornaria possível saber antecipadamente se uma chave simétrica compartilhada já foi lida ou violada por um terceiro.

Há outros tipos de pesquisa sendo investigados para combater possíveis ataques com base na tecnologia quântica. Isto poderia envolver técnicas básicas como o hashing para criar mensagens de tamanho maior ou outros métodos como a criptografia baseada em malha. Todas essas pesquisas têm como objetivo criar tipos de criptografia que dificultam a tentativa de decriptar por parte dos computadores quânticos.

Mineração de Bitcoin e Computadores Quânticos

A mineração de Bitcoin também utiliza a criptografia. Os mineiros competem para resolver um quebra-cabeça criptográfico em troca de recompensas em bloco. Se um único mineiro tem acesso a um computador quântico, ele pode ganhar controle sobre a rede. Isto reduziria a descentralização da rede e aumentaria potencialmente a exposição a um ataque em 51%.

Entretanto, de acordo com alguns especialistas, isto não é uma ameaça imediata. Os ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) podem reduzir a eficácia de um tal ataque — pelo menos no futuro próximo. Além disso, se vários mineiros tiverem acesso a um computador quântico, o risco de tais ataques será significativamente menor.

Conclusão

O desenvolvimento da computação quântica e a consequente ameaça às atuais implementações de criptografia assimétrica parecem ser apenas uma questão de tempo. Entretanto, não é um problema de importância imediata — existem obstáculos gigantescos, em termos de teorias e engenharia, a serem superados antes que esta tecnologia possa ser plenamente implementada.

Considerando tudo o que está em jogo em termos de segurança da informação, é razoável começar a pensar em contramedidas considerando futuros ataques. Felizmente, já há muita pesquisa sendo feita sobre possíveis soluções que poderiam ser implementadas nos sistemas atuais. Essas soluções, em teoria, seriam capazes de proteger a parte mais importante de nossa infra-estrutura contra ameaças futuras de computadores quânticos.

Os padrões de resistência quântica poderiam ser distribuídos ao público da mesma forma que a criptografia de ponta a ponta foi implementada através de navegadores e aplicações de mensagens. Uma vez finalizados estes padrões, o ecossistema de criptografia poderia integrar com relativa facilidade a melhor defesa possível contra estes vetores de ataque.