La computación cuántica utiliza la mecánica cuántica para realizar algunos cálculos mucho más rápido que los ordenadores tradicionales.
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Un sistema cuántico usa las propiedades de la mecánica cuántica para realizar cálculos. Los sistemas cuánticos son mucho más rápidos en ciertos tipos de cálculos que los sistemas clásicos (es decir, cualquier dispositivo informático que se usa hoy en día, como los teléfonos inteligentes, los servidores y los sistemas de escritorio). Y lo que es más importante, la computación 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 computación 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 sistema clásico puede realizar los mismos cálculos que un sistema cuántico, si se le da el tiempo suficiente. Pero un sistema clásico podría necesitar siglos o milenios para resolver un problema que un sistema cuántico podría resolver, teóricamente, en minutos.
En la práctica, los investigadores solo han publicado un puñado de casos en los que un sistema cuántico resolvió un problema más rápido que un ordenador clásico. Los sistemas cuánticos son difíciles de construir e inestables una vez construidos. Pero si se resuelven los retos de la construcción de sistemas cuánticos, la computación cuántica podría transformar definitivamente la tecnología.
Los sistemas clásicos almacenan la información en una serie de bits. Un bit es la unidad de información más pequeña posible; su valor es 0 o 1.
Los sistemas cuánticos almacenan 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 sistema 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 sistema 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.
Hasta ahora, se han construido muy pocos sistemas 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 computación cuántica se enfrenta a algunos desafíos importantes:
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 sistemas 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 sistemas clásicos: por ejemplo, las altas temperaturas o las fuertes fuerzas magnéticas pueden ralentizar o destruir un sistema. Pero el problema es mucho más grave para los sistemas 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 sistema de escritorio te ayuda a contrarrestar las altas temperaturas).
En general, los sistemas cuánticos son menos estables que sus homólogos clásicos. Esto hace que sean más propensos a cometer errores. Todos los sistemas cometen errores, por eso los sistemas clásicos llevan incorporada una memoria y unos procesadores dedicados a la corrección de errores. Pero los sistemas cuánticos tienen que dedicar muchos más recursos a la corrección de errores que los sistemas clásicos, en relación con su capacidad de procesamiento.
Para que los qubits se mantengan estables, los sistemas 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 sistemas cuánticos con más de un puñado de qubits. (En 2021 se anunció un sistema cuántico de 256 qubits, y una empresa espera construir un sistema cuántico de 1000 qubits en 2023).
El impacto total de la computación cuántica es difícil de determinar, ya que todavía no está claro si es posible contar con sistemas cuánticos a gran escala, y mucho menos si la producción en masa de dichos sistemas es posible. Esto se diferencia de la computación clásica: en la mayoría de las sociedades se utilizan sistemas 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 sistemas cuánticos potentes y estables podrían tener importantes repercusiones positivas en la sociedad. Pero también está claro que estos sistemas pondrían en riesgo de nuevas maneras la privacidad y la seguridad.
Los sistemas cuánticos tienen muchas posibles aplicaciones. Con sistemas 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 sistemas cuánticos pudieran predecir mejor los patrones de tráfico.
Todos estos resultados son todavía teóricos. E incluso si se pudieran construir sistemas 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 computación cuántica podría tener un gran impacto positivo en estos ámbitos o en otros similares.
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 sistemas 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 sistemas cuánticos romper la mayoría de los métodos de encriptación actuales, poniendo en riesgo de exposición cualquier dato encriptado.
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 computación cuántica y encriptación.