Computación cuántica: introducción en tres preguntas para personas digitales

Cada vez más rápidos, con mayor potencia de cálculo, con procesadores más potentes ¿dónde está el límite de la actual arquitectura de los sistemas informáticos? Dirigido a las personas que convivimos con un entorno digital (y la física determinista), en este artículo os comparto un primer contacto con los ordenadores cuánticos dando respuesta a tres preguntas: ¿cómo funcionan?, ¿qué aplicaciones tienen? y ¿cómo afectan a la ciberseguridad?

Aviso: he optado por ciertas simplificaciones conceptuales en aras de una visión más global y cercana de la computación cuántica.

Introducción: preliminares para personas digitales

Comencemos refrescando algunos conceptos básicos sobre el “cerebro” de los actuales sistemas informáticos: el procesador. Un procesador contiene principalmente transistores que mediante el paso de los electrones entre sí maneja la información digital. Básicamente, para que un procesador tenga mayor potencia debe contar con un número mayor de transistores. Actualmente estamos trabajando con tamaños de 10nm (nanómetro = millonésima parte de un metro) con 1,9 mil millones de transistores por procesador. Para el 2018 Intel ha anunciado la inminente fabricación con tecnologías de 7nm.

La ley de Moore (aunque es una hipótesis más que una ley), formulada por el cofundador de Intel, Gordon Moore, plantea que, aproximadamente cada dos años, se duplicaría el número de transistores por procesador.
Las tecnologías de fabricación siguen mejorando, aunque podemos tomar como referencia que los transistores más pequeños podrían llegar al tamaño de un átomo.

La computación cuántica permite la computación por debajo del tamaño del átomo y pasamos a movernos en el universo de las partículas subatómicas. Tras la barrera del átomo, existen unas reglas físicas del juego totalmente distintas. El comportamiento de las partículas subatómicas se rige por la física cuántica. Estas leyes coinciden más con mi visión de la ciencia ficción que con lo que una mente educada en la física tradicional y una visión determinista del mundo pueden explicar. Afortunadamente, contamos con grandes mentes científicas y punteros centros de investigación, en los que delegar esta labor científica y divulgativa y el resto nos podemos quedar con la aplicación más práctica y racional.

¿Cómo funciona?

Como primer paso para comprender el funcionamiento de la computación cuántica, cambiaremos nuestro conocido bit por el qbit. Pasamos de tener dos posibles estados en un bit (cero o uno) a más estados de forma simultánea en un qbit (los del bit más el estado cero y uno a la vez). Se trataría de la aplicación de la paradoja del gato de Schrödinger. Esa criatura felina que está dentro de una caja y a la vez está viva y muerta. Se trata de un fenómeno natural que sin embargo la lógica del común de los mortales no logra entender.

El funcionamiento principal de los ordenadores cuánticos se basa en este efecto, llamado formalmente superposición de estados. A nivel práctico, si cada qbit es capaz de almacenar de forma simultánea más de un estado, esto aumenta exponencialmente la capacidad de realizar cálculos en paralelo (una misma variable puede tomar varios valores al mismo tiempo) y disminuye drásticamente el tiempo necesario en la obtención de resultados para cálculos complejos.

Esta gran ventaja también se convierte en la mayor dificultad. Del mismo modo que en la paradoja, cuando se mira en la caja el gato pasa a un estado concreto, vivo o muerto, con los qbit pasa lo mismo. Su observación (que en la práctica se traduce porque esté bajo la influencia de cualquier fuerza, onda, etc.) hace que tomen un estado y se pierda esta “mágica” capacidad de superposición. La construcción, el diseño físico (con un nivel máximo de aislamiento) y los algoritmos de cálculo y medición de resultados implican una complejidad tan elevada que limita enormemente su producción real.

¿Qué aplicaciones tiene?

Las peculiaridades y condiciones específicas de construcción, funcionamiento y operación tienen como primera derivada un coste acorde con esta dificultad.
Para rentabilizar la inversión, la computación cuántica se debería aplicar a los problemas que serían casi imposibles de resolver (al menos en tiempo) por la computación más tradicional y cuyo resultado tenga una aplicación práctica.

Algunas aplicaciones destacables podrían ser:

• Simulaciones cuánticas: la forma de simular el comportamiento de la materia en estado cuántico precisa de un sistema que trabaje con ese modelo. Un ejemplo de aplicación práctica son los nuevos superconductores que trabajan a temperaturas tan bajas que la materia deja de comportarse bajo las leyes de la física que conocemos.
• Inteligencia artificial: la capacidad de procesar en un tiempo mucho menor una cantidad de información mucho mayor los convierte en el aliado para potenciar determinados algoritmos en este campo. Las aplicaciones prácticas de la inteligencia artificial son tantas que no tendrían cabida en un único artículo.
• Cálculos matemáticos complejos: entre otras aplicaciones, actualmente son la base de los sistemas y claves de encriptación y seguridad a nivel global, lo que nos introduce la tercera pregunta.

¿Cómo afecta a la ciberseguridad?

Uno de los cálculos básicos en los que se basa las claves de seguridad es la factorización (descomposición de una expresión matemática en un producto de elementos). Recuerdo haber hecho ese tipo de operaciones con números y algún polinomio en la época escolar. Como es lógico, en seguridad las expresiones matemáticasposeen una complejidad que no es posible (por tiempo principalmente) calcular la factorización para la obtención de las claves con la actual potencia de los ordenadores que conocemos.

En teoría, estos cálculos estarían disponibles en tiempo usando ordenadores cuánticos. La ya explicada potencia exponencial de cálculo les permitiría llevar a cabo los cálculos de factorización y obtener las claves necesarias para hacer temblar los actuales cimientos de la seguridad informática.

Ahora bien, si la computación cuántica está en una fase inicial, la gran noticia es que la seguridad cuántica se está desarrollando en paralelo. Un nuevo paradigma de computación está siendo desarrollado a la vez que un nuevo paradigma de seguridad. Quizá sea una prueba más de que todo cambia para que nada cambie.

Conclusiones

• La computación cuántica ya es una realidad: existen varios proyectos de investigación abiertos y ordenadores cuánticos en funcionamiento real.
• Se trata de una tecnología muy alejada de una aplicación y producción masiva.
• Las aplicaciones actuales se orientan hacia grandes retos de investigación y necesidades de cálculo inmensas con tiempos de respuesta muy cortos.
• Los requerimientos de funcionamiento de un sistema cuántico implican algoritmos y formas de trabajar totalmente disruptivas de las actuales en la programación y operación de los sistemas.
• La aparición de este nuevo paradigma de computación permitirá el avance de muchos otros campos tecnológicos (incluido el de la ciberseguridad).

Autor: Carlos Cubero