Potentes ordenadores cuánticos podrían romper el cifrado y resolver problemas que los ordenadores clásicos no pueden
Poderosos ordenadores cuánticos pueden romper el cifrado y resolver problemas que las máquinas clásicas no pueden. Si bien nadie ha logrado todavía construir un dispositivo de este tipo, últimamente hemos visto avances. Entonces, ¿será un año más? Actualmente, la atención se centra en un hito importante conocido como supremacía cuántica: la capacidad de una computadora cuántica para completar cálculos que una computadora clásica no puede, en un período de tiempo razonable.
Google logró esto en 2019 utilizando primero un dispositivo con 54 qubits (el equivalente cuántico de los bits informáticos convencionales) para realizar cálculos esencialmente inútiles llamados cálculos de muestreo aleatorio. En 2021, un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China resolvió un problema de muestreo más complejo utilizando 56 qubits y luego lo llevó aún más lejos con 60 qubits.
Pero Bob Sutor de IBM dijo que este juego de saltos es un logro académico que aún no ha tenido un impacto real. La verdadera supremacía sólo se logrará cuando las computadoras cuánticas sean significativamente mejores que las clásicas y puedan resolver problemas diferentes a los de los cálculos muestreados aleatoriamente que se utilizan actualmente como puntos de referencia.
IBM, dijo, está trabajando para lograr una "ventaja comercial cuántica": el punto en el que las computadoras cuánticas puedan resolver problemas verdaderamente útiles para investigadores o empresas más rápido que las computadoras clásicas. Eso aún no ha llegado ni lo estará en el nuevo año, pero se puede esperar dentro de una década, dijo Sutor.
Nir Minerbi, cofundador de la empresa de software cuántico Classiq, es más optimista. Él cree que el nuevo año demostrará la supremacía cuántica en un problema útil.
¿Recuerdas cuando salió el primer coche eléctrico? Son fantásticos para ir al supermercado, pero quizás no para conducir 300 kilómetros para llevar a los hijos a la universidad. Al igual que los coches eléctricos, las computadoras cuánticas mejorarán cada vez más con el tiempo, lo que las hará útiles en una gama más amplia de aplicaciones.
Existen muchos obstáculos para resolver problemas prácticos. La primera es que los dispositivos necesitarían miles de qubits para hacer esto, y esos qubits también tendrían que ser más estables y confiables que los disponibles actualmente. Es probable que los investigadores necesiten agruparlos para que funcionen como un único "qubit lógico". Esto ayuda a mejorar la fidelidad, pero socava las mejoras en escala: miles de qubits lógicos pueden requerir millones de qubits físicos.
Con el tiempo, los ordenadores cuánticos mejorarán y serán útiles en una variedad de aplicaciones.
Los investigadores también están trabajando en la corrección de errores cuánticos para detectar errores en caso de mal funcionamiento. Google anunció en julio de 2021 que su procesador Sycamore pudo detectar y corregir errores en sus qubits superconductores, pero el hardware adicional necesario para hacerlo introdujo más errores de los que solucionó. Posteriormente, los investigadores del Joint Quantum Institute de Maryland lograron superar este umbral crítico de equilibrio con sus qubits de iones atrapados.
Aun así, aún es pronto. Sería "bastante impactante" si una computadora cuántica universal resolviera un problema útil en el nuevo año. Proteja un único qubit codificado durante cualquier cantidad de tiempo, y mucho menos realice cálculos en miles o millones de qubits codificados.
¿Qué tamaño debería tener una computadora cuántica para descifrar el cifrado de Bitcoin o simular moléculas?
Se espera que los ordenadores cuánticos sean disruptivos y podrían afectar a muchos sectores industriales. Entonces, investigadores del Reino Unido y los Países Bajos decidieron explorar dos problemas cuánticos distintos: descifrar el cifrado de Bitcoin, una moneda digital, y simular las moléculas responsables de la fijación biológica del nitrógeno. Los investigadores describen una herramienta que crearon para determinar qué tan grande se necesitaría una computadora cuántica para resolver tales problemas y cuánto tiempo llevaría.
Gran parte del trabajo existente en esta área se centra en plataformas de hardware específicas, dispositivos superconductores, como en los que IBM y Google están trabajando para desarrollar. Las diferentes plataformas de hardware variarán mucho en las especificaciones clave de hardware, como la velocidad de las operaciones y la calidad del control sobre los bits cuánticos (qubits). Muchos de los casos de uso de ventajas cuánticas más prometedores requerirán computadoras cuánticas con corrección de errores.
La corrección de errores puede ejecutar algoritmos más largos al compensar los errores inherentes dentro de una computadora cuántica, pero tiene el costo de más qubits físicos. Extraer nitrógeno del aire para crear amoníaco para fertilizantes requiere mucha energía, y mejorar el proceso podría impactar la escasez de alimentos en el mundo y la crisis climática. Las simulaciones de las moléculas relevantes están actualmente más allá de las capacidades incluso de las supercomputadoras más rápidas del mundo, pero deberían estar al alcance de las computadoras cuánticas de próxima generación.
Nuestra herramienta calcula automáticamente la sobrecarga de corrección de errores en función de las especificaciones clave del hardware. Para hacer que los algoritmos cuánticos se ejecuten más rápido, podemos realizar más operaciones en paralelo agregando más qubits físicos. Introducimos qubits adicionales según sea necesario para lograr el tiempo de ejecución requerido, que depende en gran medida de la velocidad de operación a nivel de hardware físico. La mayoría de las plataformas de hardware de computación cuántica son limitadas porque sólo los qubits adyacentes entre sí pueden interactuar directamente. En otras plataformas, como algunos diseños de iones atrapados, los qubits no están en posiciones fijas sino que pueden moverse físicamente, lo que significa que cada qubit puede interactuar directamente con una gran cantidad de otros qubits.
Exploramos cómo aprovechar mejor esta capacidad de conectar qubits distantes, con el objetivo de resolver problemas en menos tiempo con menos qubits. Debemos seguir adaptando las estrategias de corrección de errores para aprovechar el hardware subyacente, lo que puede permitirnos resolver problemas de gran alcance utilizando computadoras cuánticas más pequeñas de lo que se suponía anteriormente.
Los ordenadores cuánticos son más potentes que los clásicos a la hora de romper muchas técnicas de cifrado. La mayoría de los dispositivos de comunicaciones seguras del mundo utilizan cifrado RSA. El cifrado RSA y el utilizado por Bitcoin (el algoritmo de firma digital de curva elíptica) algún día serán vulnerables a los ataques de computación cuántica, pero hoy en día, ni siquiera las supercomputadoras más grandes nunca representarán una amenaza seria. Los investigadores estiman que una computadora cuántica necesitaría ser lo suficientemente grande como para romper el cifrado de la red Bitcoin en el pequeño período de tiempo en el que realmente representaría una amenaza: entre su anuncio y su integración en la cadena de bloques. Cuanto mayor sea la tarifa pagada por la transacción, más corta será esta ventana, pero puede variar desde minutos hasta horas.
Los ordenadores cuánticos más avanzados de la actualidad sólo tienen entre 50 y 100 qubits. “Nuestra estimación de la necesidad de entre 30 [millones] y 300 millones de qubits físicos sugiere que Bitcoin debería considerarse actualmente a salvo de ataques cuánticos, pero los dispositivos de este tamaño generalmente se consideran alcanzables en el futuro. Los avances podrían reducir aún más los requisitos de la red Bitcoin. realizar una 'bifurcación dura' de la criptografía cuántica segura, pero esto podría provocar problemas de escalado de la red debido al aumento de los requisitos de memoria
Los investigadores destacan los algoritmos cuánticos y la velocidad de las mejoras en los protocolos de corrección de errores. , estimamos que un dispositivo de iones atrapados requeriría mil millones de qubits físicos para romper el cifrado RSA, lo que requeriría un dispositivo con un área de 100 x 100 metros cuadrados. Ahora, con mejoras en todos los ámbitos, este es el caso. Las computadoras cuánticas de corrección de errores a gran escala deberían poder resolver problemas importantes que las computadoras clásicas no pueden resolver. Las moléculas simuladas podrían tener aplicaciones en la eficiencia energética. Baterías, catalizadores mejorados, nuevos materiales y nuevos medicamentos. Existen otras aplicaciones en todos los ámbitos, incluidas las finanzas, el análisis de big data, el flujo de fluidos y la optimización logística para el diseño de aviones. /p>
Imaginemos una criptografía. Un mundo en el que los archivos secretos se descifran repentinamente: el llamado "apocalipsis cuántico". En resumen, las computadoras cuánticas funcionan de manera completamente diferente a las computadoras desarrolladas en el último siglo y, en teoría, es posible que así sea. eventualmente será mejor que las computadoras desarrolladas en el siglo pasado. Las máquinas actuales son muchas, muchas veces más rápidas, lo que significa enfrentar un problema extremadamente complejo y que consume mucho tiempo -como tratar de descifrar datos- con miles de millones de permutaciones múltiples, si las hay, en una computadora normal. Se necesitarían muchos años para descifrar estas encriptaciones, pero en teoría, las futuras computadoras cuánticas podrían hacer el trabajo en segundos. El gobierno del Reino Unido está invirtiendo en el Centro Nacional de Computación Cuántica en Harwell, Oxfordshire, y espera revolucionar la investigación. field
Un nuevo lenguaje para la computación cuántica
Twist es un lenguaje de programación desarrollado en el MIT que puede describir y verificar qué datos están entrelazados para evitar errores en los programas cuánticos.
Cristales de tiempo, hornos microondas y diamantes, ¿qué tienen en común estas tres cosas diferentes? Computación cuántica. A diferencia de las computadoras convencionales que usan bits, las computadoras cuánticas usan qubits para codificar información como 0 o 1, o ambos. Combinadas con el poder de la física cuántica, estas máquinas del tamaño de un refrigerador pueden procesar grandes cantidades de información, pero están lejos de ser perfectas. Al igual que nuestras computadoras normales, necesitamos tener el lenguaje de programación adecuado para calcular correctamente en una computadora cuántica.
Programar una computadora cuántica requiere comprender algo llamado "entrelazamiento", que es una computadora para varios qubits que se pueden convertir en energía poderosa. Cuando dos qubits se entrelazan, las acciones en uno de ellos pueden cambiar el valor del otro, incluso aunque estén físicamente separados, lo que dio lugar a la descripción de Einstein de "acción espeluznante a distancia". Pero esta eficacia es también una fuente de debilidad. Al programar, descartar un qubit sin prestar atención a su entrelazamiento con otro qubit puede destruir los datos almacenados en el otro qubit, poniendo así en peligro la corrección del programa.
Los científicos del MIT Computer Science and Artificial Intelligence (CSAIL) pretenden resolver el misterio creando su propio lenguaje de programación de computación cuántica, Twist. Twist puede describir y verificar qué datos están entrelazados en un programa cuántico en un lenguaje que los programadores clásicos puedan entender. El lenguaje utiliza un concepto llamado pureza, que refuerza la ausencia de enredos y produce programas más intuitivos, idealmente con menos errores. Por ejemplo, un programador puede utilizar Twist para indicar que los datos temporales generados por un programa como basura no se enredarán con las respuestas del programa y, por lo tanto, pueden descartarse de forma segura.
Si bien el campo emergente puede parecer un poco llamativo y futurista, con imágenes de máquinas metálicas gigantes que nos vienen a la mente, las computadoras cuánticas tienen el potencial de permitir avances computacionales en tareas que clásicamente no pueden resolverse. Los ejemplos incluyen la criptografía y la comunicación. protocolos, búsqueda y física y química computacional. Uno de los principales desafíos de la ciencia computacional es abordar la complejidad del problema y la cantidad de cálculo requerido. Mientras que una computadora digital clásica necesitaría una gran cantidad de bits exponenciales para manejar tal simulación, una computadora cuántica podría hacerlo usando una cantidad muy pequeña de qubits, si existe el programa adecuado. "Nuestro lenguaje Twist permite a los desarrolladores escribir programas cuánticos más seguros al indicar explícitamente cuándo no entrelazarse con otro qubit", dijo Charles, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática en el MIT y autor principal de un nuevo artículo sobre Twist Yuan. "Debido a que comprender los programas cuánticos requiere comprender el entrelazamiento, esperamos que Twist allane el camino para desarrollar lenguajes que faciliten a los programadores abordar los desafíos únicos de la computación cuántica". >
Imagínese una caja de madera con mil cables saliendo de un lado. Puede sacar cualquier cable de la caja o empujarlo hasta el fondo.
Después de hacer esto por un tiempo, los cables formarán un patrón de bits (ceros y unos) dependiendo de si están en el interior o en el exterior. Esta caja representa la memoria de un ordenador clásico. La computadora está programada como una serie de instrucciones sobre cuándo y cómo tirar del cable.
Imagínate ahora una segunda caja con la misma apariencia. Esta vez, tiras de un cable y lo ves emerger mientras varios otros cables regresan al interior. Aparentemente, dentro de la caja, estos cables están enrollados entre sí de alguna manera.
El segundo cuadro es la analogía de una computadora cuántica. Comprender el significado de un programa cuántico requiere comprender el entrelazamiento presente en sus datos. Pero detectar el enredo no es sencillo. No puedes ver la caja de madera, así que lo mejor que puedes hacer es intentar tirar de los cables y razonar con cuidado cuáles están enredados. Del mismo modo, los programadores cuánticos de hoy tienen que razonar manualmente sobre el entrelazamiento. Ahí es donde está diseñado el Twist para ayudar a masajear algunas de esas partes entrelazadas.
Los científicos diseñaron Twist para que fuera lo suficientemente expresivo como para programar algoritmos cuánticos conocidos e identificar errores en sus implementaciones. Para evaluar el diseño de Twist, modificaron el programa para introducir un tipo de error que sería relativamente imperceptible para los programadores humanos y demostraron que Twist podía identificar automáticamente el error y rechazar el programa.
También midieron el rendimiento real del programa en términos de tiempo de ejecución, lo que mostró una sobrecarga de menos del 4% en comparación con las técnicas de programación cuántica existentes.
Para aquellos preocupados por la reputación "sucia" de la tecnología cuántica de romper sistemas criptográficos, Yuan dijo que no está claro hasta qué punto las computadoras cuánticas pueden cumplir sus promesas de rendimiento en la práctica. "Se están realizando muchas investigaciones en criptografía poscuántica, y la razón por la que existe es porque ni siquiera la computación cuántica es una panacea. Hasta ahora, hay un conjunto muy específico de aplicaciones en las que la gente ha desarrollado computadoras cuánticas que pueden superar a las computadoras clásicas. con algoritmos y técnicas. ”
Un siguiente paso importante es crear un lenguaje de programación cuántica de nivel superior utilizando Twist. La mayoría de los lenguajes de programación cuántica actuales todavía se parecen a los lenguajes ensambladores, ya que encadenan operaciones de bajo nivel sin prestar atención a aspectos como los tipos de datos y las funciones, como es típico en la ingeniería de software clásica.
Los ordenadores cuánticos son propensos a errores y difíciles de programar. Al presentar y razonar sobre la "pureza" del código del programa, Twist da un gran paso hacia la simplificación de la programación cuántica al garantizar que los qubits en un fragmento de código puro no puedan ser alterados por bits que no están en ese código. Este trabajo fue apoyado en parte por el Laboratorio de Inteligencia Artificial Watson del MIT-IBM, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval.
Notas.
Un ordenador cuántico es un dispositivo informático que utiliza directamente fenómenos de la mecánica cuántica (como la superposición y el entrelazamiento) para operar con datos. El principio básico detrás de la computación cuántica es que las propiedades cuánticas se pueden utilizar para representar datos y realizar operaciones con ellos.
Aunque la computación cuántica aún está en sus inicios, ya existen experimentos en los que las operaciones de computación cuántica se realizan en números muy pequeños de qubits (dígitos binarios cuánticos). Tanto la investigación práctica como la teórica continúan, y muchos gobiernos nacionales y agencias de financiación militar apoyan la investigación en computación cuántica para desarrollar computadoras cuánticas con fines civiles y de seguridad nacional, como el criptoanálisis.
Si se pudieran construir ordenadores cuánticos a gran escala, serían capaces de resolver ciertos problemas más rápido que cualquiera de nuestros ordenadores clásicos actuales (como el algoritmo de Shor). Las computadoras cuánticas son diferentes de otras computadoras, como las computadoras de ADN y las computadoras tradicionales basadas en transistores. Algunas arquitecturas informáticas, como las computadoras ópticas, pueden utilizar la superposición de ondas electromagnéticas clásicas. Las ventajas exponenciales sobre las computadoras clásicas son especulativamente imposibles sin algunos recursos mecánicos cuánticos específicos, como el entrelazamiento.