Bit by Bites una columna semanal que se centra en los avances técnicos todas las semanas en varios espacios. Mi nombre es Adam Conway y he estado cubriendo temas tecnológicos y siguiendo las últimas novedades durante una década. Si hay algo que te interesa y te gustaría que se cubra, puedes contactarme en[email protected].

La computación cuántica es un campo de investigación increíblemente interesante en la actualidad, en el que las empresas han logrado avances enormes a lo largo de los años. Uno de los componentes fundamentales de un chip cuántico es el "cúbit", que es un componente análogo a un "bit" en la computación normal. Mientras que un bit puede contener un valor de 0 o 1, los cúbits pueden contener valores de 0, 1 o una "superposición" que representa 0, 1 y todas las posiciones intermedias. Sin embargo, una propiedad fundamental de la computación cuántica podría resultar un problema para el cifrado moderno.

¿Qué es Willow de Google?

Un gran salto en la computación cuántica

Google lleva trabajando en computación cuántica desde 2012, cuando la "visión" del grupo era crear un ordenador cuántico a gran escala que pudiera aprovechar la mecánica cuántica. El objetivo final es crear experiencias realmente útiles para aplicaciones del mundo real, y Willow es el último paso en la hoja de ruta de Google para lograrlo.

Los errores son un gran desafío cuando se trata de computación cuántica. Los cúbits tienen una tendencia a intercambiar información rápidamente con su entorno, lo que dificulta la protección de la información necesaria para completar un cálculo. Cuantos más cúbits se utilicen, más errores se experimentarán. Sin embargo, el avance de Google en este sentido es que, en Willow, cuantos más cúbits se utilizaron, más errores se redujeron. Google lo expresa diciendo que con matrices más grandes de cúbits físicos, escalando desde una cuadrícula de cúbits codificados de 3x3, a una cuadrícula de 5x5, a una cuadrícula de 7x7, cada vez, pudieron reducir la tasa de error a la mitad. En otras palabras, una reducción exponencial de la tasa de error. Willow utiliza 105 cúbits.

En computación cuántica, esto se llama "por debajo del umbral", donde se reducen los errores mientras se aumenta la escala en qubits. Esto es necesario para demostrar un progreso real en la corrección de errores, ya que de lo contrario, los errores se escalarán con los qubits y causarán problemas. Este es también uno de los primeros ejemplos de corrección de errores en tiempo real en un sistema cuántico superconductor, y los propios puntos de referencia de Google demuestran que esto es así. Una parte importante de la reducción de errores se encuentra en la refrigeración, yse han logrado enormes avances en todos los ámbitos.

Los ingenieros de Google probaron Willow utilizando el método de muestreo aleatorio de circuitos (RCS, por sus siglas en inglés). Se trata de un estándar en este campo, considerado el método de muestreo más difícil que se puede realizar en un ordenador cuántico en la actualidad. Básicamente, comprueba si un ordenador cuántico está haciendo algo que no se podría hacer en un ordenador clásico. Cualquier equipo que construya un ordenador cuántico debería comprobar primero si puede superar a los ordenadores clásicos en el método RCS; de lo contrario, hay motivos de peso para dudar de que pueda abordar tareas cuánticas más complejas. Esto incluye un cálculo que un ordenador clásico tardaría 10 septillones de años en completar, mientras que Willow lo completó en solo cinco minutos.

¿La computación cuántica romperá el cifrado tal como lo conocemos?

Probablemente lo hará

Cuando hablamos de computación cuántica, surge un desafío muy aterrador, y ese desafío está relacionado con lo que sucede con el cifrado. El algoritmo de Shor, escrito por el matemático estadounidense Peter Shor, es un algoritmo de computación cuántica que puede encontrar los factores primos de un número entero, lo que rompería los esquemas de criptografía de clave pública como RSA y los intercambios de claves Diffie-Hellman de campo finito y de curva elíptica. El mayor obstáculo que frena el algoritmo de Shor en este momento es la cantidad de cúbits que se requieren para que funcione; algunas estimaciones indican que podrían necesitarse miles de cúbits para usar el algoritmo de Shor y romper los estándares de cifrado modernos.

Dicho esto, se ha demostrado que el algoritmo de Shor funciona con valores más pequeños, aunque asume que el ordenador cuántico en el que se ejecuta estará libre de ruido y errores, algo que puede resultar un problema en el mundo real. Asimismo, por eso los esfuerzos de corrección de errores de Google son tan importantes, ya que los errores son un problema cada vez mayor cuando se trata de computación cuántica a medida que pasa el tiempo y se agregan más cúbits. La criptografía de clave pública sustenta gran parte de la Internet moderna, protegiendo todo, desde los correos electrónicos hasta la banca en línea. El algoritmo de Shor, cuando se ejecuta en un ordenador cuántico lo suficientemente avanzado, podría desmantelar estos protocolos criptográficos al factorizar de manera eficiente números grandes. RSA, un estándar de cifrado ampliamente utilizado, se basa en el supuesto de que factorizar números enteros grandes es computacionalmente inviable. La computación cuántica desafía este supuesto.

Los gobiernos y los investigadores ya se están preparando para un mundo "poscuántico". El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos ha estado trabajando en algoritmos criptográficos resistentes a los sistemas cuánticos, seleccionando candidatos diseñados para soportar ataques de sistemas cuánticos. Estos algoritmos se centran en problemas que son difíciles tanto para las computadoras clásicas como para las cuánticas, como la criptografía basada en retículas o las firmas basadas en hash.

Es bien sabido que es difícil predecir el desarrollo de la computación cuántica. Si bien Willow representa un gran avance, es posible que todavía falten décadas para que podamos contar con computadoras cuánticas prácticas a gran escala. Sin embargo, los avances que estamos viendo hoy indican que el campo está progresando más rápido de lo que muchos anticipaban.

Por ahora, todo lo que el mundo puede hacer es observar cómo empresas como Google, IBM y empresas emergentes comoIonQy Rigetti Computing compiten por la computación cuántica a gran escala. Estos avances tienen dos vertientes en términos de ramificaciones: no solo resuelven problemas que actualmente consideramos insuperables, sino que también crean desafíos a los que nunca nos hemos enfrentado antes.Todavía no se puede jugar a Doom en una computadora cuántica, pero eso (y mucho más) puede estar en nuestro futuro bastante cercano.