Hace unos días, tuve la oportunidad de ver un episodio sobre temas tecnológicos desarrollado por Hannah Fry (una profesora de matemáticas británica y excelente entrevistadora) para Bloomberg.
Este episodio en concreto aborda el desarrollo y crecimiento actuales de la informática cuántica, las ventajas que ofrece para el futuro de la humanidad cuando se aplica a las ciencias (como la biotecnología, el espacio, etc.), y también explica por qué se considera un problema de seguridad nacional en muchos estados.
Pero antes, es importante comprender qué es la informática cuántica:
Los ordenadores que se encuentran en la mayoría de nuestros hogares y lugares de trabajo procesan bits, que es el lenguaje interpretado por sus circuitos lógicos representados como 0 y 1.
Si queremos interpretar matemáticamente la operación 1 + 1 = 2 en el sistema binario utilizando los dígitos 0 y 1, la suma de bits se realiza siguiendo reglas similares a las del sistema decimal, pero teniendo en cuenta que sólo existen dos dígitos. Aquí tienes una explicación paso a paso de la operación:
Reglas de la suma binaria
– 0 + 0 = 0
– 0 + 1 = 1
– 1 + 0 = 1
– 1 + 1 = 0 con un acarreo de 1 (porque 1 + 1 = 2, y en binario, 2 se representa como 10)
La operación 1 + 1 en bits
Al sumar 1 + 1:
– Se obtiene 0 en la posición actual.
– Se genera un acarreo (el “1” que se pasa a la posición inmediatamente superior).
Esto se representa como:
1
+ 1
—–
10
En esta suma, el “10” en binario equivale a 2 en el sistema decimal porque:
– El dígito de la izquierda (1) representa 2¹ (es decir, 2).
– El dígito de la derecha (0) representa 2⁰ (es decir, 0).
Como podemos ver en esta operación, la secuencia es lineal y resuelve una operación cada vez.
Las operaciones con bits se realizan en segmentos de 8 bits, que siguen una secuencia determinada.
Pero, ¿cuál es la diferencia con la informática cuántica?
Los ordenadores domésticos -o los disponibles en nuestros lugares de trabajo- utilizan bits como unidad básica de información, mientras que la informática cuántica emplea “qubits” o “bits cuánticos”. ¿Cuál es la diferencia entre ambos? Imagina que los bits son como las dos caras de una moneda (cara y cruz) representadas como 1 y 0. Ahora, imagina que lanzas la moneda al aire mientras gira; ésta es la representación de los qubits. La moneda que gira simboliza los múltiples estados que puede asumir un qubit de forma simultánea y enredada, lo que permite analizar una superposición de información en 1 y 0.
Otra característica de la informática cuántica es la interferencia, que permite combinar y anular las probabilidades de distintos estados.
En los párrafos anteriores, dimos una definición técnica de la informática cuántica; ahora, consideremos su importancia.
- Velocidad en la resolución de problemas: Algunas tareas, como la simulación de sistemas cuánticos complejos (por ejemplo, moléculas para el desarrollo de nuevos fármacos), pueden realizarse mucho más rápido que con los ordenadores tradicionales.
- Nuevos algoritmos: Los algoritmos cuánticos de factorización y búsqueda generan eficiencias que ningún ordenador tradicional puede alcanzar actualmente.
- Seguridad y Criptografía: Esto supone tanto una oportunidad como un reto. Considera los tokens bancarios con sus probabilidades de resolución y métodos de encriptación: están expuestos a este tipo de capacidad de procesamiento. Por tanto, ¿hasta qué punto serán seguros los métodos actuales de seguridad de la información?
Se considera que actualmente estamos en la primera ola del desarrollo de la computación cuántica, y ecosistemas formados por centros de investigación, empresas privadas y gobiernos están trabajando en el desarrollo profundo de esta herramienta que cambiará el mundo tal y como lo conocemos. Este ecosistema no siempre es colaborativo entre los distintos países, como deja claro en la entrevista con Hannah Fry el Vicepresidente de Investigación de IBM, Darío Gil. Confirma que la colaboración en el ecosistema se rompe, por ejemplo, cuando se trabaja con el gobierno chino: debido a cuestiones relacionadas con la seguridad nacional de Estados Unidos, empresas como IBM no pueden compartir su trabajo con otras entidades gubernamentales, instituciones o empresas que puedan ser vistas como adversarias o con intereses contrarios a los del país.
La informática cuántica representa un cambio de paradigma en la forma de procesar la información, basada en principios físicos que desafían nuestra intuición clásica. Con qubits que pueden estar en varios estados a la vez y la capacidad de entrelazarse, los ordenadores cuánticos podrían resolver problemas que hoy parecen intratables. Sin embargo, el camino hacia la aplicación práctica y a gran escala aún está lleno de desafíos técnicos.
¿Qué retos plantea la informática cuántica para la seguridad de nuestra información y de los gobiernos?
Vulnerabilidad de la criptografía actual
Criptografía basada en las matemáticas clásicas:
La mayoría de los sistemas de cifrado que protegen las comunicaciones gubernamentales y la información sensible -como RSA o ECC (criptografía de curva elíptica)- se basan en problemas matemáticos que, con los recursos computacionales actuales, son prácticamente irresolubles en un tiempo razonable. Estos esquemas se basan en la dificultad de problemas como la factorización de números grandes o el cálculo de logaritmos discretos.
La amenaza del algoritmo de Shor:
La llegada de la informática cuántica implica el uso potencial del algoritmo de Shor, que puede factorizar grandes números exponencialmente más rápido que cualquier algoritmo clásico conocido. Esto significa que, en un escenario en el que exista una máquina cuántica suficientemente potente, la seguridad de algoritmos como el RSA se vería comprometida. Un atacante podría descifrar mensajes cifrados o interceptar comunicaciones críticas, lo que supondría un riesgo directo para la seguridad nacional.
Impacto en la seguridad gubernamental
Protección de datos sensibles:
Los gobiernos almacenan y transmiten enormes volúmenes de información clasificada, desde estrategias militares hasta datos diplomáticos y financieros. Si la criptografía actual se queda obsoleta ante la computación cuántica, esta información podría verse comprometida, exponiendo secretos de estado y poniendo en peligro la estabilidad y soberanía de las naciones.
Interceptación de comunicaciones:
Las comunicaciones seguras -utilizadas en protocolos de autenticación y en la transmisión de información sensible- dependen de la solidez de los algoritmos criptográficos. Con la amenaza cuántica, es posible que actores maliciosos -ya sean ciberdelincuentes o estados extranjeros- intercepten y descifren comunicaciones críticas, facilitando el espionaje, el sabotaje o incluso los ataques coordinados.
La “Ventana de Oportunidad Retroactiva”:
Un aspecto especialmente alarmante es el riesgo de que los datos encriptados hoy, que pueden parecer seguros, puedan almacenarse y desencriptarse más tarde, una vez que la tecnología cuántica esté disponible. Esto significa que la información sensible recopilada ahora podría utilizarse contra los gobiernos años más tarde, cuando las capacidades cuánticas superen las limitaciones de los algoritmos clásicos. En cuanto a los números primos y su uso en la encriptación como asuntos de seguridad nacional, se recomienda ver la serie producida por Apple llamada “Prime Target”, donde, a través de la ficción, se explora el uso de la ciencia matemática para la encriptación y su impacto en las agencias de seguridad nacional.
¿Cuáles son las ventajas de la informática cuántica?
La computación cuántica representa un cambio de paradigma que promete revolucionar múltiples campos debido a su capacidad para procesar información de forma exponencialmente más eficiente que las máquinas clásicas. Entre sus ventajas se encuentran:
- Simulación de Sistemas Complejos: Permite modelar y simular sistemas a nivel molecular y atómico, lo que puede acelerar el descubrimiento de nuevos fármacos, materiales y catalizadores.
- Optimización avanzada: Ayuda a resolver problemas de optimización en áreas como la logística, la planificación de recursos y la inteligencia artificial, permitiendo soluciones más rápidas y eficientes.
- Avances en Criptografía: Aunque la computación cuántica plantea retos a los métodos tradicionales de cifrado, también abre la puerta a nuevos protocolos de seguridad, como la criptografía cuántica, que ofrece comunicaciones prácticamente irrompibles.
- Mejoras en los algoritmos de Inteligencia Artificial: Aprovechando las propiedades cuánticas, es posible procesar grandes volúmenes de datos y entrenar modelos de IA más rápidamente, lo que puede transformar sectores como la medicina, la economía y la ingeniería.
En resumen, la computación cuántica no sólo impulsa los avances tecnológicos, sino que también abre nuevas posibilidades para abordar problemas complejos que actualmente son intratables, beneficiando a la humanidad a múltiples niveles.
Comparto un segmento de Bloomberg Technology sobre la computación cuántica.
https://www.bloomberg.com/news/videos/2024-09-26/quantum-computing-the-future-with-hannah-fry-video
Artículo desarrollado por Germán Pardo
Fuentes: IBM QUANTUM, IEEE Xplore, Bloomberg Technology, MIT Technology Review, Biblioteca Digital ACM