¿Romperán pronto los ordenadores cuánticos la privacidad en Internet?
Los ordenadores cuánticos son un nuevo enfoque de cálculo que utiliza principios de la física fundamental para resolver problemas extremadamente complejos muy rápidamente.
Una de las aplicaciones más prometedoras de los ordenadores cuánticos es la simulación del comportamiento de la materia hasta el nivel molecular.
Un ordenador cuántico aprovecha algunos de los fenómenos casi místicos de la mecánica cuántica para lograr enormes avances en el rendimiento computacional. Los ordenadores cuánticos prometen superar incluso a los más potentes superordenadores de hoy -y de mañana-.
Por sí solo, la computación cuántica, que es solo uno de los tres principales campos de la tecnología cuántica emergente, podría valer casi 1,3 billones de dólares para 2035.
Sin embargo, no sustituyen a los ordenadores tradicionales. Una computadora clásica seguirá siendo la solución más simple y económica para la mayoría de los problemas. Pero los ordenadores cuánticos prometen avances emocionantes en varios campos, desde la ciencia de los materiales hasta la investigación farmacéutica. Las empresas ya están experimentando con ellos para, por ejemplo, desarrollar baterías más ligeras y potentes para automóviles eléctricos y para crear nuevos medicamentos.
Las máquinas son excelentes para problemas de optimización porque pueden revisar una gran cantidad de posibles soluciones extremadamente rápido. Airbus las utiliza, por ejemplo, para calcular las rutas de ascenso y descenso más eficientes en cuanto a combustible para los aviones. Y Volkswagen ha presentado un servicio que calcula las rutas óptimas para autobuses y taxis en ciudades para minimizar los atascos.
Algunos investigadores también creen que las máquinas se podrían usar para acelerar la inteligencia artificial. Pero en el mundo de la investigación se discute mucho sobre cuán significante será alcanzar este hito.
Déjame intentar explicártelo lo más sencillo posible.
En la década de 1990, investigadores descubrieron que los ordenadores cuánticos podían aprovechar las peculiaridades de la física para resolver tareas que parecen inalcanzables para los ordenadores “clásicos”. Peter Shor, un matemático que actualmente trabaja en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge, mostró en 1994 cómo aplicar los fenómenos de la superposición cuántica -que describe la capacidad de los objetos del tamaño de átomos para existir en una combinación de múltiples estados simultáneamente- y la interferencia cuántica, que es análoga a cómo las ondas en un estanque pueden sumarse o cancelarse entre sí, para la factorización de números enteros en números primos, es decir, los números enteros que no pueden dividirse más sin dejar un resto.
El secreto del poder de un ordenador cuántico reside en su capacidad para generar y manipular qubits (bits cuánticos).
La computación clásica, la tecnología que impulsa tu portátil y tu smartphone, se basa en bits. Un bit es una unidad de información que puede almacenar un cero o un uno.
Todo, desde tus tuits y correos electrónicos hasta tus canciones de iTunes y videos de YouTube, se compone esencialmente de una larga secuencia de estos dígitos binarios.
En cambio, la computación cuántica se basa en bits cuánticos (Qubits), que pueden almacenar ceros y unos. Los Qubits pueden representar cualquier combinación de cero y uno al mismo tiempo – esto se llama superposición.
Los ordenadores cuánticos normalmente consisten en partículas subatómicas como electrones o fotones. La generación y gestión de Qubits es un desafío científico y técnico. Algunas empresas como IBM, Google y Rigetti Computing usan circuitos superconductores que se enfrían a temperaturas más bajas que el espacio. Otras, como IonQ, atrapan átomos individuales en campos electromagnéticos sobre un chip de silicio en cámaras de ultraalto vacío.
En ambos casos, el objetivo es aislar los Qubits en un estado cuántico controlado. La máquina cuántica más grande disponible hoy en día, el chip Osprey anunciado por IBM en noviembre, tiene 433 Qubits.
Los Qubits tienen algunas propiedades cuánticas extrañas que hacen que un grupo coherente de Qubits pueda realizar muchos más cálculos que el mismo número de bits binarios. Una de estas propiedades se llama superposición y otra es el entrelazamiento.
Podría tomar algunos años hasta que los ordenadores cuánticos alcancen su pleno potencial. Universidades y empresas que trabajan en ellos enfrentan una escasez de investigadores calificados en este campo, y una falta de proveedores de algunos componentes clave. Pero si estas nuevas y exóticas máquinas de computación cumplen con sus promesas, podrían revolucionar industrias enteras y estimular la innovación mundial.
El problema PRVCY
Como es habitual en la tecnología, este desarrollo también tiene un lado político. La mayoría de los países de altos ingresos han comenzado a invertir de manera independiente o en asociaciones público-privadas en la investigación de computación cuántica. También muchos países de ingresos medios han iniciado programas piloto de computación cuántica.
Y como es habitual en la carrera tecnológica, hay dos fuerzas principales en juego.
Estados Unidos de América
En los Estados Unidos, el gobierno trabaja en la tecnología cuántica militar y el año pasado incluyó en la ley las Guías de Ciberseguridad Post-Cuántica.
La ley consta de dos partes principales. La primera indica que la Oficina de Gestión y Presupuesto (OMB) debe realizar la transición a la criptografía Post-Cuántica dentro de un año después de la publicación de las nuevas directrices por el NIST. Esto significa que la OMB debe comenzar a implementar algoritmos criptográficos aprobados por el NIST para proteger los sistemas de TI en el Ejecutivo para el 5 de julio de 2023.
En la segunda parte, la OMB debe presentar al Congreso un informe en el que detalla su estrategia de transición y solicita fondos para la transición a sistemas seguros cuánticos antes del 21 de diciembre de 2023. El proyecto de ley también prevé que la agencia describa sus esfuerzos para coordinar con organizaciones internacionales de estándares y otros consorcios hasta esa fecha.
China
Por otro lado, un equipo de investigadores en China ha presentado recientemente una técnica que teóricamente podría romper los métodos más comunes de protección de la privacidad digital utilizando un ordenador cuántico rudimentario.
Lo llamo el ataque chino y para explicar por qué esta declaración es política, debo ponerme técnico:
Cuando los ordenadores clásicos resuelven un problema con múltiples variables, deben realizar un nuevo cálculo cada vez que una variable cambia. Cada cálculo es un único camino hacia un único resultado. Sin embargo, los ordenadores cuánticos tienen un espacio de trabajo más grande, lo que significa que pueden explorar una enorme cantidad de caminos simultáneamente. Esta capacidad significa que los ordenadores cuánticos pueden ser mucho, mucho más rápidos que los ordenadores clásicos.
La técnica usada para los chinos funcionó en una pequeña demostración, informan los investigadores, pero otros expertos son escépticos de que el proceso pueda escalar para superar a las computadoras convencionales en esta tarea. Sin embargo, es un recordatorio de la vulnerabilidad de la privacidad en línea.
El algoritmo de Shor haría que una computadora cuántica rompiera un sistema de cifrado basado en números primos grandes exponencialmente más rápido que una clásica: Rivest-Shamir-Adleman o RSA, por las iniciales de sus creadores, así como algunas otras técnicas criptográficas populares que actualmente protegen la privacidad y seguridad en internet.
Los investigadores dicen que podría necesitar un millón o más de qubits para romper RSA
Shijie Wei de la Academia de Ciencias de la Información Cuántica de Pekín y sus colegas han seguido un camino diferente para romper RSA. No se basan en el algoritmo de Shor sino en el algoritmo de Schnorr, un método para factorizar números enteros desarrollado por el matemático Claus Schnorr en la Universidad de Goethe en Frankfurt en la década de 1990. El algoritmo de Schnorr fue diseñado para computadoras clásicas, pero el equipo de Wei ha implementado parte del proceso en una computadora cuántica usando un procedimiento llamado QAOA (Algoritmo Cuántico de Optimización Aproximada).
En el trabajo aún no revisado, los autores afirman que su algoritmo puede romper fuertes claves RSA, números con más de 600 dígitos, con solo 372 qubits. En un correo electrónico a Nature, Guilu Long, físico de la Universidad de Tsinghua en China, advirtió en nombre de todos los autores que no basta con tener muchos qubits, y que las computadoras cuánticas actuales son demasiado propensas a errores para realizar una cálculos tan grandes con éxito. “Simplemente aumentar el número de qubits sin reducir la tasa de error no ayuda.”
Chao-Yang Lu, un físico que construye computadoras cuánticas en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei y que no está involucrado en el proyecto, dice que para ejecutar el algoritmo QAOA en una máquina tan pequeña, cada uno de los 372 qubits tendría que funcionar sin errores el 99.9999% del tiempo. Los qubits modernos apenas alcanzan una precisión del 99.9%.
El problema es que nadie sabe si QAOA hace el cálculo de números grandes más rápido que ejecutar el algoritmo clásico de Schnorr en un portátil. “Debe tenerse en cuenta que la aceleración cuántica del algoritmo es incierta”, escriben los autores.
En otras palabras: aunque el algoritmo de Shor garantiza romper el cifrado de manera eficiente si se dispone de una computadora cuántica lo suficientemente grande, la técnica basada en optimización podría ejecutarse en una máquina mucho más pequeña, pero quizás nunca cumpla la tarea.
Aunque la técnica basada en Schnorr no romperá Internet, las computadoras cuánticas podrían hacerlo algún día ejecutando el algoritmo de Shor. Por eso, China ha anunciado que trabaja en romper encriptaciones y Estados Unidos ha anunciado su Ley de Ciberseguridad Post-Cuántica.
Todos los países con un producto interior bruto de más de un billón de dólares han iniciado iniciativas nacionales cuánticas. Esta categoría incluye a China, Japón, India, Canadá y EE.UU., que invierten la mayor cantidad de fondos en investigación cuántica. Alemania, Reino Unido, Francia, Rusia, Italia, Brasil, Australia, Corea del Sur, España, Arabia Saudita y los Países Bajos también forman parte de esta lista (en orden de PIB). Brasil y España iniciaron sus iniciativas cuánticas nacionales el año pasado.
En la mayoría de estos países también existe un sector comercial dinámico dedicado a la investigación cuántica. El número de empresas privadas de computación cuántica es relativamente grande en muchos de estos países en comparación con otros. En EE.UU. hay más de 350, en el Reino Unido más de 100, en Alemania más de 100, en Canadá más de 80, en Francia más de 75, en China más de 35, en Japón más de 35, en los Países Bajos más de 35, en India más de 20 y en España más de 15.
Esto significa que la carrera por los mejores resultados y el miedo a otros países ha comenzado. En este contexto, investigadores de seguridad han desarrollado una serie de sistemas criptográficos alternativos que se consideran menos vulnerables a los ataques cuánticos, conocidos como post-cuánticos o quantum-safe. Sin embargo, es posible que en el futuro los investigadores descubran mejores algoritmos cuánticos que puedan superar estos sistemas.
