¿Qué es la informática cuántica?

La informática cuántica utiliza la mecánica cuántica para realizar algunos cálculos mucho más rápido que los ordenadores tradicionales.

Objetivos de aprendizaje

Después de leer este artículo podrás:

  • Entender la informática cuántica
  • Comparar los qubits con los bits
  • Explicar el impacto potencial de los ordenadores cuánticos operativos

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¿Qué es la informática cuántica?

Un ordenador cuántico usa las propiedades de la mecánica cuántica para realizar cálculos.Los ordenadores cuánticos son mucho más rápidos en ciertos tipos de cálculos que los ordenadores clásicos (es decir, cualquier dispositivo informático que se usa hoy en día, como los teléfonos inteligentes, los servidores y los ordenadores de escritorio).Y lo que es más importante, la informática cuántica puede ser capaz de resolver ciertos problemas matemáticos extremadamente difíciles que la informática clásica no puede resolver de forma eficiente, lo cual pondría en peligro los métodos actuales de encriptación y sacaría a la luz datos confidenciales.

Imaginemos que encuentras un capítulo de un libro pasando de una página a otra hasta llegar al lugar deseado. Ahora imaginemos que, en lugar de eso, consultas primero el índice y llegas de forma casi inmediata al capítulo correcto. La informática cuántica se parece más a la experiencia de utilizar un índice: examina todas las posibles soluciones de un cálculo de forma rápida y simultánea, en lugar de probar diferentes soluciones hasta llegar a la correcta.

Técnicamente, un ordenador clásico puede realizar los mismos cálculos que un ordenador cuántico, si se le da el tiempo suficiente. Pero un ordenador clásico podría necesitar siglos o milenios para resolver un problema que un ordenador cuántico podría resolver, teóricamente, en minutos.

En la práctica, los investigadores solo han publicado un puñado de casos en los que un ordenador cuántico resolvió un problema más rápido que un ordenador clásico. Los ordenadores cuánticos son difíciles de construir e inestables una vez construidos. Pero si se resuelven los retos de la construcción de ordenadores cuánticos, la informática cuántica podría transformar definitivamente la tecnología.

¿Qué son los bits y los qubits?

Un ordenador clásico almacena la información en una serie de bits. Un bit es la unidad de información más pequeña posible; su valor es 0 o 1.

Un ordenador cuántico almacena la información en qubits en lugar de en bits. Un qubit puede tener un valor de 0, 1 o una mezcla de ambos estados (el término técnico para dicha mezcla es "superposición"). De hecho, el valor de un qubit es incierto, a diferencia de un bit clásico, que siempre se sabe que es 0 o 1. El valor de un qubit permanece indeterminado hasta que alguien lo observa.

Como resultado, un ordenador cuántico puede tener múltiples estados, o versiones, de la información a la vez. Esto le permite procesar las soluciones a los cálculos a un ritmo exponencialmente más rápido si se compara con un ordenador normal, al igual que un equipo de personas que realiza múltiples tareas de forma simultánea completará un proyecto más rápido que una persona que realice todas las tareas por su cuenta.

Imaginemos que un segmento de información es como un globo terráqueo. Un bit puede situarse en el polo norte o en el polo sur del globo. Un qubit puede situarse en cualquier lugar de la superficie del globo, lo que aumenta mucho las posibilidades de información que puede contener.

A nivel mecánico, evidentemente, los bits y los qubits no son realmente globos. Un bit es una pequeña sección de un ordenador que, o bien mantiene una carga eléctrica (1), o bien no mantiene una carga eléctrica (0). Un qubit es la posición incierta e inestable de un electrón dentro de un átomo.

¿Cuáles son los desafíos de la construcción de ordenadores cuánticos?

Hasta ahora, se han construido muy pocos ordenadores cuánticos. Los que se han construido son pequeños, inestables y no se pueden utilizar fuera de las condiciones del laboratorio.

Esto se debe a que la informática cuántica se enfrenta a algunos desafíos importantes:

Interferencias del exterior

Los qubits son frágiles. El ruido, las vibraciones, los cambios de temperatura y las ondas electromagnéticas pueden inhibir o destruir el estado interno de un qubit. Para funcionar correctamente, los ordenadores cuánticos deben estar en entornos muy controlados, y que no haya estos y otros tipos de interferencias. Estos entornos son difíciles de crear y mantener fuera de un laboratorio.

Los factores ambientales también afectan a los ordenadores clásicos: por ejemplo, las altas temperaturas o las fuertes fuerzas magnéticas pueden ralentizar o destruir un ordenador. Pero el problema es mucho más grave para los ordenadores cuánticos, hasta el punto de que no se sabe si pueden funcionar en condiciones reales.

(Algún día, puede que sea posible contrarrestar las interferencias, al igual que el ventilador de un ordenador de escritorio te ayuda a contrarrestar las altas temperaturas).

Corrección de errores

En general, los ordenadores cuánticos son menos estables que sus homólogos clásicos. Esto hace que sean más propensos a cometer errores. Todos los ordenadores cometen errores, por eso los ordenadores clásicos llevan incorporada una memoria y unos procesadores dedicados a la corrección de errores. Pero los ordenadores cuánticos tienen que dedicar muchos más recursos a la corrección de errores que los ordenadores clásicos, en relación con su capacidad de procesamiento.

Temperatura

Para que los qubits se mantengan estables, los ordenadores cuánticos deben mantenerse a temperaturas extremadamente frías, a unos pocos grados por encima del cero absoluto. De nuevo, esto dificulta su funcionamiento fuera de entornos de laboratorio fuertemente controlados.

El resultado de estos y otros desafíos es que se han construido muy pocos ordenadores cuánticos con más de un puñado de qubits.(En 2021 se anunció un ordenador cuántico de 256 qubits, y una empresa espera construir un ordenador cuántico de 1000 qubits en 2023).

¿Qué impacto tendría la informática cuántica en el mundo?

El impacto total de la informática cuántica es difícil de determinar, ya que todavía no está claro si es posible contar con ordenadores cuánticos a gran escala, y mucho menos si la producción en masa de dichos ordenadores es posible. Esto se diferencia de la informática clásica: en la mayoría de las sociedades se utilizan ordenadores en miniatura en casi todos los aspectos de la vida, y muchas personas llevan el equivalente a un superordenador en el bolsillo (como es el caso de los teléfonos inteligentes).

Los ordenadores cuánticos potentes y estables podrían tener importantes repercusiones positivas en la sociedad.Pero también está claro que estos ordenadores pondrían en riesgo de nuevas maneras la privacidad y la seguridad.

Posibles efectos positivos

Los ordenadores cuánticos tienen muchas posibles aplicaciones. Con ordenadores más potentes, el sector financiero podría ayudar a analizar y predecir con mayor precisión el mercado bursátil. Los climatólogos podrían analizar y predecir los patrones meteorológicos con mayor precisión. Los sistemas de transporte podrían ser más eficientes si los ordenadores cuánticos pudieran predecir mejor los patrones de tráfico.

Todos estos resultados son todavía teóricos. E incluso si se pudieran construir ordenadores cuánticos a gran escala y que fueran muy estables, sus resultados de procesamiento seguirían siendo tan precisos como los datos que se les suministrara. Aun así, la informática cuántica podría tener un gran impacto positivo en estos ámbitos o en otros similares.

Los métodos actuales de encriptación no funcionarían

En la actualidad, la información confidencial suele protegerse mediante el uso de la encriptación. La encriptación es el proceso de codificar un mensaje mediante una clave, de modo que nadie pueda leer el mensaje, excepto aquel que tenga la clave. La encriptación protege los datos personales que los usuarios introducen en los sitios web (a través de TLS), los datos empresariales almacenados en los discos duros y en los servidores, los datos confidenciales del gobierno y otra información confidencial.

Muchos tipos de encriptación se basan en problemas matemáticos difíciles, como la factorización de enteros, para proteger los datos. La dificultad de estos problemas garantiza que la encriptación no pueda romperse en un tiempo factible. Aunque hay algoritmos bien conocidos para romper la encriptación, siempre es posible utilizar claves de encriptación más grandes, lo que requiere un tiempo exponencialmente mayor (para los ordenadores clásicos) para encontrar la clave y romper la encriptación.

Sin embargo, los ordenadores cuánticos pueden resolver teóricamente los difíciles problemas que se utilizan en los métodos de encriptación actuales. En este escenario, el aumento del tamaño de las claves no refuerza la dificultad del problema de forma exponencial. De este modo, romper la encriptación podría llevar mucho menos tiempo. Esto permitiría a los ordenadores cuánticos romper la mayoría de los métodos de encriptación actuales, poniendo en riesgo de exposición cualquier dato encriptado.

¿Qué hace Cloudflare para prepararse para la informática cuántica?

Cloudflare está muy involucrado en el desarrollo de nuevos métodos de encriptación resistentes a la cuántica que puedan protejan la información confidencial, tanto ahora como en el futuro. Esto forma parte del compromiso más amplio de Cloudflare de ayudar a desarrollar mejores protocolos de Internet, estándares de encriptación y protecciones de la privacidad.

Cloudflare seguirá contribuyendo en este ámbito. Para más información, consulta las últimas publicaciones del blog sobre informática cuántica y encriptación.