Hoy hablaremos sobre la primer computadora cuántica que promete buen futuro en el campo de la computación cuántica, algunos conceptos, y algunas consecuencias que tienen que ver con la criptografía actual, y el futuro de los datos cifrados.
¿Cuáles son los factores primos de 15? Cualquier estudiante nos diría la respuesta: 3 y 5, de memoria. Un número más grande, como 91, puede tomar algo más de tiempo, lápiz y papel. Un número aún mayor, por ejemplo, uno de 232 dígitos, les ha tomado a los científicos dos años para poder factorizar, usando cientos de computadoras comunes corriendo en paralelo.
Debido a que factorizar números grandes es muy difícil, este problema de factorización es la base de muchos de los esquemas de cifrado actuales utilizados para proteger datos, secretos de estado, tarjetas de crédito, etc.
Una computadora cuántica puede, con cientos de átomos en paralelo, factorizar fácilmente un número enorme en poco tiempo.
En 1994 Peter Shor, profesor de matemática aplicada en el MIT, dio con un algoritmo cuántico que calcula los factores primos de un número enorme mucho más eficientemente que una computadora clásica. No obstante, el éxito del algoritmo depende de una computadora cuántica con una gran cantidad de bits cuánticos, o qubits.
Hasta ahora, si bien se han hecho pruebas de implementación del algoritmo de Shor en varios sistemas cuánticos, nadie ha sido capaz de crear un ordenador que posea algunos qubits, y además, sea escalable.
Una nueva computadora cuántica escalable
En un paper publicado el 3 de marzo de este año en la revista Science, investigadores del MIT y de la Universidad de Innsbruck (Australia) reportaron que han diseñado y construido el primero ordenador cuántico escalable de 5 átomos en una trampa de iones.
La computadora utiliza pulsos laser para ejecutar el algoritmo de Shor en cada átomo, y ha podido factorizar correctamente el número 15.
El sistema está diseñado de forma que se puedan agregar más átomos y lasers para construir un ordenador cuántico más potente que sea capaz de factorizar números mucho más grandes.
Esto representa, en fin, la primer implementación escalable del algoritmo de Shor.
Algunos conceptos para orientarnos
En computación clásica los números son representados o por ceros (0) o unos (1), y los cálculos se llevan a cabo de acuerdo a un algoritmo en base a instrucciones, que manipulan estos ceros y unos para transformar una entrada en una salida.
Por el contrario, una computadora cuántica calcula a nivel atómico, en unidades atómicas llamadas «qubits», que pueden ser simultáneamente 0 y 1, un estado conocido en física cuántica como «superposición».
En este estado un simple qubit puede derivar en dos flujos de cálculos separados y en paralelo, logrando que la computadora sea mucho más eficiente que una computadora clásica.
En 2001, Isaac Chuang, profesor de física y de ingeniería eléctrica en el MIT, y pionero en el campo de la computación cuántica, diseñó una computadora cuántica basada enuna molécula que podía ser retenida en superposición y manipulada con resonancia magnética nuclear para factorizar el número 15.
El resultado, publicado en su momento en la revista Nature, representó el primer caso práctico del algoritmo de Shor en una computadora cuántica, pero el sistema no era escalable, por lo que fue muy difícil controlar el sistema al agregarle más átomos de cálculo.
Logrando una escalabilidad sencilla
Chuang y sus colegas lograron finalmente diseñar y construir una computadora cuántica escalable de 5 átomos para factorizar números. Mientras que típicamente se requieren 12 qubits para factorizar el número 15, ellos lograron implementar el sistema con solo 5 qubits, cada uno representado por un solo átomo, y cada átomo puede ser retenido en superposición de dos estados de energía distintos.
Chuang y su equipo trabajó el diseño e principio, sus colegas de la Universidad de Innsbruck construyeron luego un dispositivo basado en sus investigaciones.
Finalmente dirigieron el sistema cuántico para factorizar el número 15 (que, por cierto, es el menor número que permite demostrar el funcionamiento del algoritmo de Shor). El sistema, sin conocimiento previo, dio con la solución con un grado de confianza del 99%.
«El algoritmo de Shor fue el primer algoritmo cuántico no trivial que demostró un potencial de crecimiento exponencial de velocidad sobre los algoritmos clásicos» dijo Mark Ritter, administrador senior de ciencias físicas en IBM. «Este algoritmo capturó la imaginación de muchos investigadores que se interesaron en la computación cuántica debido a su gran aceleración algorítmica«.
De ahí se puede decir que el algoritmo de Shor es comparable al clásico «Hola Mundo» de la computación clásica.
El futuro de la criptografía…
La mayor parte de los algoritmos criptográficos actuales se basan en complejidad computacional, es decir, en operaciones que son muy simples de llevar a cabo, pero muy difíciles de revertir.
Por ejemplo, la multiplicación de dos números primos grandes, muy grandes, actualmente es muy fácil de resolver con computación clásica, mientras que dado el número resultante, resulta casi imposible obtener los dos primos que se utilizaron para obtenerlo.
Ahora, con una computadora cuántica, obtener este valor no será un problema muy grande.
Imaginemos que la gran cantidad de información cifrada actual. Uno piensa, ¿quién querrá utilizar una computadora cuántica para descifrar mi partición de datos en mi computadora? Seguramente muy pocas personas (al menos, entre las que pueden conseguir una computadora cuántica :P).
Pero es otra historia si se trata de las naciones. Los países mantienen información confidencial en secreto, no hace falta hablar de Estados Unidos y la NSA, los secretos de estado y los documentos top-secret. Con una computadora cuántica será posible romper y descifrar todo el contenido de estos documentos.
¿Entonces?
La respuesta está en algoritmos que no sean vulnerables a ataques cuánticos. Y aquí podemos mencionar, por un lado, a los mecanismos de criptografía cuántica para intercambio de claves mediante un canal cuántico, deseablemente una fibra óptica, y hardware especial.
Y por otro, nos remitimos a la criptografía post-cuántica, con algoritmos que pueden correr en computadoras clásicas, pero que son resistentes a ataques cuánticos, o ataques realizados con un ordenador cuántico.
En otro artículo profundizaremos estos conceptos y algoritmos, y veremos algunas herramientas e implementaciones que están empezando a surgir, de modo que cuando llegue el «apocalipsis cuántico» no nos encuentre desprevenidos 🙂
El NIST (National Institute of Standards and Technology) lanzó los primeros tres estándares de cifrado diseñados para resistir los ataques criptográficos realizados desde computadoras cuánticas. Como ya comenté hace tiempo en varios posts y en Leer más…
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