Computação quântica aplicada à hardware reconfigurável com foco em segurança da informação
Resumo
Este trabalho apresenta a implementação de um emulador de circuitos quânticos em FPGA, com foco na aplicação do algoritmo de busca de Grover. O sistema transmite os coeficientes probabilísticos dos estados quânticos via UART para um microcontrolador, o que possibilita a validação prática por meio da comparação com simulações realizadas no Qiskit. A arquitetura, baseada em aritmética de ponto fixo, obteve resultados compatíveis com modelos teóricos, utilizando poucos recursos lógicos. São discutidas a relevância do algoritmo para a cibersegurança pós-quântica e o potencial do protótipo como ferramenta de apoio à análise e mitigação de vulnerabilidades criptográficas.
Palavras-chave:
computação quântica, FPGA, algoritmo de Grover, criptografia pós-quântica, emulação em hardware
Referências
Nielsen, M. A.; Chuang, I. L. Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press, 2000.
IBM Quantum. Qiskit Documentation, 2023. Disponível em: [link].
Khalid, A. U.; Zilic, Z.; Radecka, K. FPGA Emulation of Quantum Circuits. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Design (ICCD’04), 2004.
Grover, L. K. A fast quantum mechanical algorithm for database search. Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on Theory of Computing, p. 212-219, 1996.
Bernstein, D. J.; Lange, T. Post-quantum cryptography. Nature, v. 549, n. 7671, p. 188-194, 2017. DOI: 10.1038/nature23461.
Alagic, G. et al. Status Report on the Third Round of the NIST Post-Quantum Cryptography Standardization Process. NIST IR 8413, July 2022. Disponível em: DOI: 10.6028/NIST.IR.8413.
IBM Quantum Learning. Grover’s Algorithm Tutorial, 2023. Disponível em: [link].
Zhang, H. et al. A real-time QKD system based on FPGA. Journal of Lightwave Technology, v. 30, n. 18, p. 3026-3030, 2012. DOI: 10.1109/JLT.2012.2217145.
Bennett, C. H.; Brassard, G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, p. 175-179, 1984.
Jungjarassub, Y.; Piromsopa, K. A Performance Optimization of Quantum Computing Simulation using FPGA. 2022 19th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), 2022. DOI: 10.1109/ECTI-CON54298.2022.9795495.
Belfore II, L. A. A Scalable FPGA Architecture for Quantum Computing Simulation. Old Dominion University, 2024. Disponível em: DOI: 10.48550/arXiv.2407.06415.
Viamontes, G. F.; Markov, I. L.; Hayes, J. P. Is Quantum Search Practical? Computing in Science Engineering, vol. 7, no. 3, pp. 22-30, 2005. DOI: 10.1109/MCSE.2005.53.
IBM Quantum. Qiskit Documentation, 2023. Disponível em: [link].
Khalid, A. U.; Zilic, Z.; Radecka, K. FPGA Emulation of Quantum Circuits. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Design (ICCD’04), 2004.
Grover, L. K. A fast quantum mechanical algorithm for database search. Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on Theory of Computing, p. 212-219, 1996.
Bernstein, D. J.; Lange, T. Post-quantum cryptography. Nature, v. 549, n. 7671, p. 188-194, 2017. DOI: 10.1038/nature23461.
Alagic, G. et al. Status Report on the Third Round of the NIST Post-Quantum Cryptography Standardization Process. NIST IR 8413, July 2022. Disponível em: DOI: 10.6028/NIST.IR.8413.
IBM Quantum Learning. Grover’s Algorithm Tutorial, 2023. Disponível em: [link].
Zhang, H. et al. A real-time QKD system based on FPGA. Journal of Lightwave Technology, v. 30, n. 18, p. 3026-3030, 2012. DOI: 10.1109/JLT.2012.2217145.
Bennett, C. H.; Brassard, G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, p. 175-179, 1984.
Jungjarassub, Y.; Piromsopa, K. A Performance Optimization of Quantum Computing Simulation using FPGA. 2022 19th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), 2022. DOI: 10.1109/ECTI-CON54298.2022.9795495.
Belfore II, L. A. A Scalable FPGA Architecture for Quantum Computing Simulation. Old Dominion University, 2024. Disponível em: DOI: 10.48550/arXiv.2407.06415.
Viamontes, G. F.; Markov, I. L.; Hayes, J. P. Is Quantum Search Practical? Computing in Science Engineering, vol. 7, no. 3, pp. 22-30, 2005. DOI: 10.1109/MCSE.2005.53.
Publicado
01/09/2025
Como Citar
FERNANDES, Gustavo Inácio Arraes; FILGUEIRAS, Gabriel Tauchen; GOMES, Otávio de Souza Martins.
Computação quântica aplicada à hardware reconfigurável com foco em segurança da informação. In: WORKSHOP CIBERSEGURANÇA QUÂNTICA: TEORIA, TECNOLOGIAS E APLICAÇÕES - SIMPÓSIO BRASILEIRO DE CIBERSEGURANÇA (SBSEG), 25. , 2025, Foz do Iguaçu/PR.
Anais [...].
Porto Alegre: Sociedade Brasileira de Computação,
2025
.
p. 359-365.
DOI: https://doi.org/10.5753/sbseg_estendido.2025.13963.
