Tendencias en computación cuántica
La computación cuántica es el área de estudio que se ocupa de desarrollar tecnología informática basada en los principios de la teoría cuántica. Las tecnologías cuánticas pueden ser un gran disruptor de los negocios existentes, por lo que en todo el mundo se están invirtiendo decenas de miles de millones de capital público y privado: en 2021, se han dedicado 24 mil millones de dólares a investigación y aplicaciones cuánticas.
Diferencias entre la informática clásica y la cuántica
Informática clásica
En última instancia, la informática clásica se basa en el álgebra de Boole, mediante el cual cada dato solo admite un estado binario excluyente, 0 o 1, lo que llamamos un “bit” de información. El tiempo durante el cual cada transistor o condensador permanece en 0 o 1 antes de cambiar de estado ya se mide en tan solo mil millonésimas de segundo, pero, aun así, la rapidez de ese cambio de estado tiene un límite físico.
A medida que logramos fabricar circuitos cada vez más pequeños y más rápidos, nos asomamos al límite físico de los materiales y el umbral en que nos frenan las leyes de la física clásica. Pasado ese punto, entra en juego el mundo cuántico. En un ordenador cuántico, los estados 0 y 1 vienen representados por la carga o polarización de las partículas elementales, como electrones o fotones. La computación cuántica se basa en el comportamiento de estas partículas, cada una de las cuales se conoce como bit cuántico o qubit. Como sustrato físico de la lógica, los ordenadores clásicos usan transistores, mientras que los ordenadores cuánticos usan iones atrapados, bucles superconductores, puntos cuánticos o vacíos de nitrógeno en un diamante.
Qubits físicos frente a qubits lógicos
En el ámbito de un ordenador cuántico con corrección de errores, hablamos de qubits físicos y lógicos. Los qubits físicos son el sustrato físico del ordenador, mientras que un qubit lógico es un grupo de qubits físicos que se consideran un solo qubit para cancelar el ruido y mejorar la corrección de errores.
Veamos como ejemplo un ordenador cuántico con 100 qubits. Digamos que esta máquina es propensa al ruido. Para remediarlo, podemos usar 10 qubits físicos para formar un qubit lógico de estabilidad aceptable. Por tanto, diríamos que nuestro ordenador cuántico comprende 100 qubits físicos que empleamos como 10 qubits lógicos.
Es muy importante distinguir entre qubits físicos y lógicos. Para realizar determinados cálculos existen distintas estimaciones de cuántos qubits serían necesarios, pero algunas estimaciones hablan de qubits lógicos y otras de qubits físicos. Por ejemplo, para descifrar un mensaje cifrado según el método RSA, necesitaríamos miles de qubits lógicos y por tanto millones de qubits físicos.
Además, se debe tener en cuenta que, en un ordenador clásico, a medida que se incrementa el número de transistores y la velocidad de reloj, la potencia de computación aumenta de forma lineal, pero, en un ordenador cuántico, con la adición de cada qubit lógico la potencia aumenta de forma exponencial.
Superposición y entrelazamiento cuánticos
Los dos aspectos más relevantes de la física cuántica son la superposición y el entrelazamiento.
Superposición: Pensemos en un qubit como un electrón en un campo magnético. El spin (espín) del electrón puede estar alineado con el campo, lo que se conoce como estado de spin-up, u oponerse al campo, lo que se conoce como estado de spin-down. Según las leyes de la física cuántica, la partícula entra en una superposición de estados, en la que se comporta como si estuviera en ambos estados a la vez. Por tanto, cada qubit utilizado podría experimentar una superposición de 0 y 1. Mientras que en un momento dado un registro de 2 bits en un ordenador clásico puede almacenar solo una de las cuatro configuraciones binarias posibles (00, 01, 10 u 11), un registro de 2 qubits en un ordenador cuántico puede almacenar los cuatro números simultáneamente, porque cada qubit representa dos valores. Si se añaden más qubits, además, la capacidad se amplía de forma exponencial.
Entrelazamiento: Dos partículas que hayan interactuado en algún momento conservan una conexión y se entrelazan como un par, en un proceso conocido como correlación, de modo que conocer el estado de spin de una partícula entrelazada (spin-up o spin-down) nos permite saber que el spin de su pareja tiene la dirección opuesta. El entrelazamiento cuántico admite que qubits separados por enormes distancias interactúen entre sí de forma instantánea (sin limitarse a la velocidad de la luz), porque, sin importar la distancia entre las partículas correlacionadas, estarán entrelazadas siempre que permanezcan aisladas. En conjunto, la superposición y el entrelazamiento crean una potencia de computación enormemente mejorada.
Tipos de ordenadores cuánticos
Los ordenadores cuánticos se dividen en cuatro categorías:
Emulador/simulador cuántico
Ordenadores clásicos que ya están en el mercado. Ya que simulan algoritmos cuánticos, facilitan la puesta a prueba y depuración de algoritmos cuánticos que algún día podrían ejecutarse en un ordenador cuántico universal (UQC, por sus siglas en inglés). Sin embargo, no se basan en hardware cuántico, por lo que no son más rápidos que los ordenadores normales.
Ordenador de temple cuántico
Ordenador cuántico diseñado para el fin específico de resolver problemas de optimización combinatoria. No aborda problemas generales de computación ni criptografía. Si bien tiene más qubits físicos que ningún otro sistema cuántico actual, no está configurado en qubits lógicos basados en puertas lógicas. Actualmente, el temple cuántico es una tecnología comercial en busca de un mercado viable a futuro.
Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)
Los sistemas NISQ son prototipos de ordenador cuántico universal, pero varios órdenes de magnitud menores en número de bits, al ofrecer solo 50-100 qubits, profundidad limitada de puertas lógicas y tiempos de coherencia muy cortos. Como les faltan varios órdenes de magnitud de qubits, los ordenadores NISQ no sirven para ningún cálculo útil en sí mismo. No obstante, son necesarios para que aprendamos a manejar los sistemas más avanzados que vendrán, y para crear software en paralelo al desarrollo del hardware. Representan los “ruedines” para los ordenadores cuánticos universales del futuro.
Ordenadores cuánticos universales / Cryptographically Relevant Quantum Computers (CRQC)
Esta clase de ordenador cuántico constituye el objetivo final. Si pudiéramos construir un ordenador cuántico universal con tolerancia a fallos (es decir, millones de qubits físicos con corrección de errores, dando como resultado miles de qubits lógicos), podríamos ejecutar algoritmos cuánticos en criptografía, búsqueda y optimización, simulaciones de sistemas cuánticos y solucionadores de ecuaciones lineales.
CIFRADO POST-CUÁNTICO / RESISTENTE A COMPUTACIÓN CUÁNTICA
Los nuevos sistemas criptográficos se protegerían tanto de los ordenadores cuánticos como de los convencionales, e interoperarían con los protocolos y redes de comunicación existentes. Los algoritmos de clave simétrica del CNSA han sido desarrollados para proteger los sistemas de seguridad nacional incluso si se logra crear un CRQC. Los métodos criptográficos que el sector considera resistentes a la computación cuántica incluyen criptografía en celosías, árboles Merkle de funciones hash, ecuaciones multivariadas y curvas elípticas de isogenias supersingulares.
Las dificultades de los ordenadores cuánticos
- Interferencia: durante la fase de computación de un cálculo cuántico, la más mínima perturbación (por ejemplo, un fotón perdido o una onda de radiación electromagnética) colapsa la computación, al desencadenar un proceso conocido como “decoherencia”. Por tanto, durante la fase de cálculo, un ordenador cuántico debe estar totalmente aislado de toda interferencia externa.
- Corrección de errores: por las características de la computación cuántica, la corrección de errores es absolutamente crítica, ya que el más mínimo error en un cálculo lo invalida por completo.
- Observación de resultados: en estrecha relación con los dos factores anteriores, la observación de los resultados de un cálculo cuántico se expone al riesgo de corromper los datos.
Ahmed Banafa, autor de los libros:
Secure and Smart Internet of Things (IoT) Using Blockchain and AI
Blockchain Technology and Applications
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