Por Jeremy Cook
Ya habrá escuchado hablar de ello. La computación cuántica proporcionará la computadora necesaria para dejar obsoletas todas las computadoras anteriores, curar enfermedades y poner fin al cifrado. ¿Debiéramos estar entusiasmados o aterrorizados? En este artículo se presentarán los aspectos básicos de esta asombrosa tecnología, sus usos prácticos, sus limitaciones y de qué manera podría sin dudas comprometer el futuro de la seguridad de la información.
¿Qué es la computación cuántica?
La computación cuántica, como lo define IBM, “es una tecnología que ha surgido rápidamente que aprovecha lasa leyes de la mecánica cuántica para solucionar problemas demasiado complejos para las computadoras clásicas”. Mientras la tecnología computacional clásica (es decir, basada en transistores) depende de 1 y 0 para tomar decisiones, las computadoras cuánticas usan en su lugar bits o “cúbits” como unidad de información básica. Cada cúbit puede manejar mucha más información que la dicotomía encendido/apagado de un transistor. Los cúbits interactúan entre sí mediante un proceso que se conoce como entrelazamiento, lo que permite que las computadoras cuánticas sean exponencialmente más potentes con la adición de cada cúbit adicional.
Según este comportamiento exponencial, considere que un dispositivo computacional que se componga de 20 bits basados en transistores (1 y 0) tiene 20 veces la capacidad de un bit por sí mismo (lo que es relativamente minúsculo computacionalmente), mientras 20 bits cuánticos tendrían 2^20 (o aproximadamente 1 millón) veces la capacidad de un cúbit. Para decirlo de otro modo, diez cúbits entrelazados equivalen a 16 000 bits tradicionales, mientras 500 cúbits entrelazados pueden almacenar más valores que los átomos que hay en el universo conocido.
Comprender verdaderamente esta tecnología es una tarea inmensa. Sin embargo, con esa introducción abreviada, consideremos los usos potenciales y las implicancias de la computación cuántica.
Usos de la computación cuántica
En la década de 1980, el físico Richard Feynman tuvo la idea de usar el procesamiento cuántico para modelar la física cuántica, lo que creó el concepto de computadora cuántica y su primer uso teórico. Al parecer, la computación cuántica, mediante el uso de cúbits entrelazados, es una herramienta fantástica para realizar cálculos matemáticos de memoria, lo que permite que este nuevo paradigma computacional produzca (o quizás lo haga en todos los puntos de manera simultánea) respuestas a problemas que de otro modo no tendrían solución.
Entre los potenciales usos prácticos de la computación cuántica se encuentran la criptografía (que se explora más en la siguiente sección) y encontrar respuestas a dilemas médicos que anteriormente han sido difíciles o imposibles de solucionar. Considere la configuración computacional distribuida Folding at Home que se empleó durante el apogeo del COVID-19, donde se usaron enormes recursos para ayudar a desarrollar nuevos tratamientos. Una computadora cuántica podría reducir el trabajo de dichos cálculos si se aplica de manera correcta a dicha tarea.
Las computadoras cuánticas también se pueden usar para analizar conjuntos de datos genómicos masivos, lo que ayuda a los médicos a personalizar los planes de tratamiento para diversas enfermedades.
Por cierto, como sucede con cualquier tecnología nueva, luego que uno tiene la espada, la gente pronto descubrirá nuevas cosas que se pueden hacer. Una de las limitaciones de la computación cuántica hoy en día es que la computación clásica tiene muchas décadas de conocimiento y herramientas de software a su disposición para crear soluciones a problemas x, y, y z. Nuestro conocimiento colectivo y conjunto de herramientas de la computación cuántica son mucho más limitados, lo que significa que si bien hay usos posibles, hacer que sucedan (y que sucedan de manera confiable, los errores aún son un problema) es un desafío.
Al mismo tiempo, avances en la IA (potencialmente en conjunto con la computación cuántica) pueden ayudarnos a superar estas barreras programáticas. La computación cuántica no es una tecnología tan lejana como la fusión. Es una tecnología que está en funcionamiento en este momento. Incluso puede interactuar con una computadora cuántica a través del servicio rent-a-quantum de IBM. Piense en ella como una nube cuántica que calcula de manera analógica para procesadores centrales antiguos (es decir, una solución de nube cuántica, donde su computadora de transistores interactúa con un centro cuántico central y regresa los resultados producidos).
Seguridad cuántica
Descifrar un cifrado fuerte (p. ej., de 256 bits) con la tecnología computacional más avanzada de hoy podría demorara mil millones de años. Sin embargo, la computación cuántica, si se configura de manera correcta para la tarea, podría descifrar dicho cifrado en un tiempo mucho más corto, lo que devaluaría los procedimientos de seguridad de hoy en día. Ejecute un archivo cifrado por un algoritmo cuántico y los secretos que envuelve quedarán revelados y a su disposición.
Este problema es más generalizado que, digamos, abrir el cofre de documentos secretos de un espía. Considere que el tráfico web normalmente se protege con cifrado de clave pública, lo que permite que su computadora y un servidor envíen información entre sí sin que otros escuchen. Descifre el cifrado y toda esta información (información bancaria, historiales clínicos, las fotos de su gato) queda disponible para que la vean. La infraestructura subyacente de la web sería mucho menos segura.
Considere también que los datos que se almacenan hoy posiblemente podrían descifrarse más adelante. Esto da lugar a un ataque teórico Harvest Now, Decrypt Later, donde los datos simplemente se interceptan y almacenan hasta que se puedan descifrar. Los actores del estado que descifren dicha tecnología pueden recibir información sobre sistemas de armas y espías retirados que tengan 20 años de antigüedad, o la tecnología de cifrado podría llegar mucho antes, o incluso estar disponible (y secreta) ahora mismo.
La buena noticia (afortunadamente) es que las organizaciones trabajan en algoritmos resistentes a la criptografía que puedan hacer frente a las metodologías de cifrado de la computación cuántica. Esto no soluciona el problema con los datos cifrados que ya han sido vilmente interceptados y almacenados para su uso posterior, pero al menos puede mitigar este problema potencial en el futuro. Por cierto, a medida que establecemos protocolos de cifrado de ciberseguridad cuántica, uno debe preguntarse si está protegido de lo que venga después. Quizás la criptoagilidad y simplemente nunca estar satisfecho con el nivel de protección actual debieran ser el tema general de toda operación de seguridad.
El futuro de la computación cuántica: ¿un nuevo mundo… que al fin comprenderemos?
La computación cuántica puede can frustrar incluso a los ingenieros más experimentados. Eso sin mencionar la teletransportación cuántica, que permite compartir información entre dos cúbits entrelazados a lo largo de muchas millas o kilómetros (lo que, lamentablemente, no significa comunicaciones más rápidas que la luz). Todo el concepto puede parecer místico.
La curva de aprendizaje para obtener una comprensión fundamental de esta tecnología representa una enorme barrera para el uso generalizado de la computación cuántica. Por otro lado, como se mencionó en un artículo de Wall Street Journal de octubre de 2023, considere que el motor a vapor se inventó mucho antes que comprendiéramos la termodinámica. Tampoco se usó en una locomotora hasta un siglo después.
¿Podría la computación cuántica, o la combinación de IA y computación cuántica, seguir un camino similar, quizás mediante el uso de sus herramientas computacionales para un mejoramiento constante e incluso para educarnos a nosotros meros seres humanos? O quizás dicha computación siga mejorándose más allá de lo que razonablemente podemos llegar a entender. Tal futuro podría ser fantástico o distópico, según el futuro de ciencia ficción que escoja creer.
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