Computación cuántica: Promesas, Amenazas e incertidumbres

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Foto: Fly d en unsplash.com

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Aunque pareciera tratarse de un asunto de ciencia ficción, la computación cuántica ha logrado importantes avances en los últimos años, compañías como Alphabet, Amazon y Microsoft, son precursores en este campo e invierten grandes sumas de dinero en investigación y desarrollo.

No obstante, un análisis realizado por el Doctor Sankar Das Sarma para Mit Technology Review concluye que aún falta un largo camino por recorrer y muchos escollos por superar.

¿Cuál es el verdadero impacto de la Computación Cuántica?

Por: Gabriel Levy B.
www.galevy.com

La computación cuántica hace referencia a un modelo informático que revoluciona la teoría tradicional de los sistemas y propone un paradigma de computacional alternativo, basado en los principios del uso de cúbits o Qbits, en donde los tradicionales 1 y 0 que componen el mundo digital y de la computación, puede combinarse en los dos estados simultáneamente, transformando exponencialmente la capacidad de los algoritmos.

El enfoque de las computadoras cuánticas es resolver problemas de una manera diferente, transgrediendo los límites tradicionales de la computación, resolviendo de forma más eficientemente y rápida problemas altamente complejos para la computación tradicional, como es el caso de la factorización de los números primos, sobre los cuales están soportados todos los sistemas de encriptación actuales, basados en problemas matemáticos, incluso los que dieron forma a los criptoactivos como el Bitcoin.

La doctora Talia Gershon (directora de Estrategia de Investigación e Iniciativas de Crecimiento en IBM) describe la computación cuántica, de manera muy general, como una combinación entre tres factores:

“La superposición de giros, el entrelazamiento de dos objetos y la interferencia, la cual ayuda a controlar los estados cuánticos y amplificar los tipos de señales que están orientados hacia la respuesta correcta, y luego cancelar los tipos de señales que conducen a la respuesta incorrecta[1]”.

Para el Doctor Sankar Das Sarma, director del Centro de Teoría de la Materia Condensada de la Universidad de Maryland, College Park, la computación cuántica probablemente sea el segundo tema de moda en el mundo de la informática, después de la Inteligencia Artificial (IA), razón por la cual grandes empresas de tecnología, como Alphabet, Amazon y Microsoft, están avanzando con importantes investigaciones y desarrollos en este campo, al igual que se evidencia el surgimiento de muchas start-ups que trabajan este tema.

“Estoy muy a favor de la computación cuántica, he publicado más de 100 artículos técnicos sobre el tema, y muchos de mis estudiantes de doctorado y posdoctorado son referentes conocidos por todo el mundo. Pero me preocupa cómo se sobrevalora la computación cuántica en estos estos días, especialmente respecto a cómo será su comercialización”.

Doctor Sankar Das Sarma, director del Centro de Teoría de la Materia Condensada de la Universidad de Maryland, College Park[2]

¿Cómo funciona la computación cuántica?

En el modelo de cómputo tradicional el bit es la unidad mínima de información, el cuál corresponde a un sistema binario que sólo puede tomar dos valores, representados por los dígitos 0 y 1. Usando más bits se pueden combinar para representar mayor cantidad de información, en cambio en el sistema de cómputo cuántico la unidad mínima de información es el Qbit, el cual posee el principio de superposición cuántica, gracias a esta propiedad el Qbit puede tomar diversos valores a la vez, puede ser 0 y 1, o bien es incluso posible que no sólo ocurra una superposición de ambos valores, sino que ocurra una superposición simultánea de todos los Qbits que se estén combinando, un conjunto de dos Qbits puede representar una superposición de valores: 00, 01, 10 y 11 a la vez.​ El incremento de la capacidad de superposición, equivale a una mayor capacidad de representación de información.

La Capacidad de Entrelazamiento

Una de las principales cualidades de la computación cuántica, es que dos Qbits que han sido entrelazados (en una correlación) pueden ser manipulados para hacer exactamente lo mismo, garantizando que se puedan realizar operaciones en paralelo o simultáneamente, a este principio se le conoce como paralelismo cuántico; éste permite que la capacidad de realizar operaciones en paralelo crezca de manera exponencial en relación con el número de Qbits con los que puede operar el computador.

La Promesa de Peter Shor

Uno de los padres de la computación cuántica es el profesor Peter Shor, quien en 1994 evidenció como un ordenador cuántico puede encontrar factores primos de números grandes exponencialmente más rápido que todos los sistemas convencionales, esto aunque a simple vista para un lector desprevenido carece de importancia, en realidad se trata de la mayor oportunidad y amenaza presente para todos los sistemas de encriptación operativos en el mundo, que operan bajo el sistema de cifrado RSA mediante la factorización prima, es decir que todos los sistemas de protección de información, desde las claves de su correo electrónico, hasta los BlockChain del Bitcoin, parten de problemas matemáticos basados en la factorización de los números primos, que en teoría los computadores cuánticos podrían solucionar en cuestión de segundos, lo cual si bien es una amenaza latente, también es una gigantesca oportunidad, pues aplicando el principio a la inversa, nos podría llevar a sistemas de encriptación prácticamente invencibles.

Es por todo lo anterior que se ha incentivado la financiación de investigaciones en el campo de la computación cuántica durante los últimos años.

Un Campo con muchos retos por delante

Si bien desde la teoría y en algunos campos experimentales existen importantes avances en la computación cuántica, en la práctica fabricar un ordenador cuántico que tenga la capacidad real y practica de hacer lo que en teoría se propone, es algo que depende del desarrollo de la idea propuesta por Shor y otros académicos alrededor del mundo, y que se denomina “corrección de errores cuánticos”, que es un proceso para compensar el hecho de que los estados cuánticos desaparecen rápidamente debido al ruido ambiental, fenómeno que recibe el nombre de: “decoherencia”. En 1994, los científicos pensaron que tal corrección de errores sería fácil porque lo permitía la física, pero al momento de materializarlo en una máquina, es algo extremadamente difícil[3].

Los actuales ordenadores cuánticos más avanzados tienen docenas de cúbits físicos decoherentes (o “ruidosos”).

Construir un ordenador cuántico capaz de descifrar los códigos RSA de esos componentes requeriría muchos millones, si no miles de millones, de cúbits. Solo decenas de miles de ellos se usarían para la computación, los llamados cúbits lógicos; el resto se encargaría de corregir errores, para compensar la decoherencia.

“Los sistemas de cúbits que existen hoy en día son fruto de un importante logro científico, pero no nos acercan a la posibilidad de tener un ordenador cuántico capaz de resolver un problema importante. Es algo parecido a intentar crear smartphones con tubos de vacío de principios del siglo XX. Se pueden juntar 100 tubos y realizar la hipótesis de que 10.000 millones de ellos trabajaran juntos de manera coherente y sin interrupciones, se podría lograr todo tipo de milagros. Sin embargo, faltaría inventar circuitos integrados y CPU para conseguir smartphones: hicieron falta 60 años de compleja ingeniería para pasar de la invención de los transistores al teléfono inteligente sin contar con una nueva física involucrada en el proceso”.

Doctor Sankar Das Sarma, director del Centro de Teoría de la Materia Condensada de la Universidad de Maryland, College Park[4]

Un Campo con más incertidumbres que certezas

Como suele ocurrir en todos los grandes proyectos humanos que demandan colosales inversiones de tiempo, dinero y horas de trabajo humano, la computación cuántica es una disciplina que, si bien se tiene claro que es el futuro de la informática, aún es muy difícil determinar de qué forma se podrá masificar, lograr que sea eficiente en campos aplicados y sobre todo, que la industria informática garantice que el costo superará el beneficio:

“Hace más de una década, a menudo me preguntaban cuándo pensaba que se iba a construir un ordenador cuántico real.

Es interesante que ya no me hagan esta pregunta, ya que el bombo sobre la computación cuántica aparentemente ha convencido a la gente de que estos sistemas ya existen o están a la vuelta de la esquina. Mi respuesta indudable siempre fue que no lo sabía. Predecir el futuro de la tecnología es imposible: sucede cuando sucede. Se podría intentar hacer una analogía con el pasado. La industria de la aviación tardó más de 60 años en pasar de los hermanos Wright a los grandes aviones que transportan a cientos de pasajeros miles de kilómetros.

La pregunta inmediata es dónde habrá que colocar en esa línea de tiempo el desarrollo de la computación cuántica, tal y como está actualmente. ¿Está en el punto en el cual estaban los hermanos Wright en 1903? ¿O en los primeros aviones a reacción de alrededor de 1940? ¿O puede ser que todavía estemos en el siglo XVI, con la máquina voladora de Leonardo da Vinci? No lo sé. Ni yo, ni nadie”.

Sankar Das Sarma es director del Centro de Teoría de la Materia Condensada de la Universidad de Maryland, College Park.

En Conclusión, si bien la computación cuántica se perfila como el futuro de la informática y sus posibilidades abren un abanico casi infinito de oportunidades en el campo científico,  aún nos encontramos en los albores de esta tecnología, que debe superar muchísimos desafíos teóricos, prácticos, económicos y sociales, no obstante grandes compañías como Google o Amazon invierten astronómicas sumas de dinero para materializar este sueño que podría llevar a la sociedad de la información y el conocimiento, a un nuevo nivel nunca antes visto.

 

[1] Talia Gershon (directora de Estrategia de Investigación e Iniciativas de Crecimiento en IBM)
[2] Artículo de MIT sobre la Computación Cuántica
[3] «Computación cuántica y el cambio de paradigma en seguridad». INCIBE-CERT..
[4] Artículo de MIT sobre la Computación Cuántica

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