El futuro de la computación cuántica: beneficios y posibles riesgos de seguridad

You’ve heard the hype. Quantum computing will provide the computer to make all previous computers obsolete, cure diseases, and end encryption. Should we be thrilled or terrified? This article will present the basics of this staggering technology, its practical applications, its limitations, and how it could indeed compromise the future of information security.

La computación cuántica, según la definición de IBM, “es una tecnología emergente que aprovecha las leyes de la mecánica cuántica para resolver problemas demasiado complejos para los ordenadores clásicos”. Mientras que la tecnología de computación clásica (es decir, transistor-basada) se basa en 1s y 0s para la toma de decisiones, los ordenadores cuánticos utilizan bits cuánticos o “qubits” como su unidad básica de información. Cada qubit puede manejar mucho más información que la dicotomía de encendido/apagado de un transistor. Los qubits interactúan entre sí a través de un proceso conocido como entrelazamiento, lo que permite que los ordenadores cuánticos se vuelvan exponencialmente más poderosos con la adición de cada qubit adicional.

De acuerdo con este comportamiento exponencial, considere que un dispositivo computacional compuesto por 20 bits basados en transistores (1s/0s) es 20 veces más capaz que un bit por sí solo (relativamente insignificante computacionalmente), mientras que 20 bits cuánticos serían 2^20 (o aproximadamente 1 millón) veces más capaces que un qubit. En otras palabras, diez qubits entrelazados equivalen a 16,000 bits tradicionales, mientras que 500 qubits entrelazados pueden almacenar más valores de los que hay átomos en el universo conocido.

Comprender verdaderamente esta tecnología es una tarea asombrosa. Sin embargo, con esa introducción abreviada, consideremos las posibles aplicaciones e implicaciones 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, dando origen tanto al concepto de la computadora cuántica como a su primera aplicación teórica. Resulta que la computación cuántica, utilizando qubits entrelazados, es una herramienta fantástica para cálculos matemáticos repetitivos, permitiendo que este nuevo paradigma de computación genere (o quizás posicione la manivela en todos los puntos simultáneamente) respuestas a problemas que de otro modo serían irresolubles.

Las posibles aplicaciones prácticas de la computación cuántica incluyen la criptografía (explorada más a fondo en la siguiente sección) y la búsqueda de soluciones a dilemas médicos que anteriormente han sido difíciles o imposibles de resolver. Considere la configuración computacional distribuida Folding at Home utilizada durante el auge de la COVID-19, donde se emplearon recursos masivos para ayudar a desarrollar nuevos tratamientos. Un ordenador cuántico podría realizar cálculos de este tipo rápidamente si se aplicara con éxito a esta tarea.

Los computadores cuánticos también pueden ser utilizados para analizar conjuntos masivos de datos genómicos, ayudando a los médicos a personalizar los planes de tratamiento para diversas enfermedades.

Of course, as with any new technology, once you have the proverbial hammer, people will soon figure out more things that can be nailed. One of quantum computing’s limitations today is that classic computing has many decades of knowledge and software tools at its disposal to create solutions for problems x, y, and z. Our collective quantum computing knowledge and toolset are much more limited, meaning that while applications may be possible, making them happen (and happen reliably—errors are still a problem) is a challenge.

Al mismo tiempo, los avances en la IA, potencialmente combinados con la computación cuántica, pueden ayudarnos a superar estas barreras de programación. La computación cuántica no es una tecnología distante como la fusión. Es una tecnología funcional en este momento. Incluso puedes interactuar con una computadora cuántica a través del servicio de alquiler cuántico de IBM. Piensa en ello como un análogo de computación en la nube cuántica a las computadoras centrales de antaño (es decir, una solución en la nube cuántica, donde tu computadora de transistores interactúa con un centro cuántico central que devuelve los resultados producidos).

Romper una fuerte cifrado (por ejemplo, de 256 bits) utilizando la tecnología informática más avanzada de hoy en día podría llevar miles de millones de años. Sin embargo, la computación cuántica, si se aplica correctamente a la tarea, podría romper dicho cifrado en un tiempo mucho más corto, desvalorizando los procedimientos de seguridad actuales. Pase un archivo cifrado por un algoritmo cuántico, y los secretos que contiene serán descifrados y estarán disponibles fácilmente.

Este problema está más extendido que, por ejemplo, descifrar el conjunto de documentos secretos de un espía. Considere que el tráfico web normalmente se asegura mediante cifrado de clave pública, lo que permite que su computadora y un servidor envíen información de ida y vuelta sin que otros escuchen. Si se rompe el cifrado, toda esta información—información bancaria, registros de salud, fotos de su gato—estará disponible para ser vista. La infraestructura subyacente de la web se volvería mucho menos segura.

Considera también que los datos almacenados hoy podrían ser descifrados más adelante. Esto da lugar a un ataque teórico de "Recolectar Ahora, Descifrar Después", donde simplemente se interceptan y almacenan los datos hasta que puedan ser descifrados. Actores estatales que rompan dicha seguridad podrían obtener información sobre sistemas de armas de 20 años de antigüedad y espías retirados, o la tecnología de descifrado podría llegar mucho antes, o incluso estar disponible (y ser secreta) ahora mismo.

La (esperemos) buena noticia es que las organizaciones están trabajando en algoritmos resistentes a la criptografía que puedan enfrentarse a las metodologías de descifrado de la computación cuántica. Esto no soluciona el problema de los datos cifrados que ya han sido interceptados de forma nefasta y almacenados para uso futuro, pero al menos puedes mitigar este potencial problema de cara al futuro. Por supuesto, al establecer protocolos de seguridad cibernética cuántica, uno debe preguntarse si están protegidos contra lo que venga después. Tal vez la cripto-agilidad, y el hecho de nunca estar satisfecho con tu nivel actual de protección, debería ser el tema principal de cualquier operación segura.

La computación cuántica puede desconcertar incluso a los ingenieros más experimentados. Esto sin mencionar la teletransportación cuántica, que permite compartir información entre dos cúbits entrelazados a través de muchas millas/kilómetros (lo que, lamentablemente, no implica 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 menciona en un artículo del Wall Street Journal de octubre de 2023, considere que la máquina de vapor fue inventada mucho antes de que entendiéramos la termodinámica. Tampoco fue aplicada a una locomotora hasta un siglo después.

¿Podría la computación cuántica, o la combinación de la IA y la computación cuántica, seguir un camino similar, quizás utilizando sus herramientas computacionales para una mejora continua e incluso para educarnos a nosotros, los simples humanos? O tal vez esa computación seguirá mejorándose a sí misma más allá de lo que podemos comprender razonablemente. Un futuro así podría ser fantástico o distópico, dependiendo de cuál futuro de ciencia ficción elijas creer.