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26 noviembre 2019

Computación cuántica y Blockchain: Mitos y realidades

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El mayor riesgo que plantea la computación para las redes blockchain es su capacidad para superar cualquier método de cifrado tradicional 3.

El anuncio por parte de Google de que había conseguido desarrollar con éxito un ordenador cuántico capaz de resolver cálculos matemáticos irresolubles por métodos tradicionales ha corrido como la pólvora por internet y ha sido recibido con preocupación por quienes consideran que este hito puede poner en jaque el sector de las criptodivisas y los sistemas de cifrado actuales 7.

Según Google, se trata de la primera vez que se cuestiona de manera experimental la validez de la tesis de Church-Turing, también conocida como la teoría de la computabilidad, que afirma que las computadoras tradicionales pueden llevar a cabo cualquier modelo de computación “razonable”.

¿En qué consiste la computación cuántica?

La computación cuántica es la disciplina de estudio cuyo objeto es desarrollar tecnología informática a partir de los principios de la teoría cuántica. Según las leyes de la física cuántica, la tremenda capacidad de procesamiento de los ordenadores cuánticos se deriva de su capacidad de estar en múltiples estados y realizar tareas utilizando todas las permutaciones posibles de manera simultánea 5.

Una comparativa entre la computación clásica y la cuántica

La computación clásica se basa, en última instancia, en los principios del álgebra booleana. Los datos deben procesarse en un estado binario exclusivo en cualquier momento o bits. Aunque el tiempo que cada transistor o condensador necesita estar en 0 o 1 antes de cambiar de estado se puede medir en mil millonésimas de segundo, la rapidez con la que se puede hacer que estos dispositivos cambien de estado sigue estando limitada. A medida que se avanza en diseños más pequeños y rápidos, se comienzan a alcanzar los límites físicos de los materiales de los circuitos y el umbral hasta el que aplican las leyes clásicas de la física. A partir de ahí, entramos en el mundo cuántico. En una computadora cuántica, se pueden utilizar la carga o polaridad de partículas elementales – como electrones o fotones – en representación de los 0 y/o 1. Cada una de estas partículas se conoce como un bit cuántico, o qubit. La naturaleza y el comportamiento de estas partículas forman la base de la computación cuántica 5.

BBVA-OpenMind-Ahmed BanafaQuantum Computing and Blockchain_Facts and Myths-oogle claims to have successfully built the world’s most powerful quantum computer
Google afirma haber construido con éxito la computadora cuántica más poderosa del mundo

Superposición cuántica y entrelazamiento

Los dos aspectos más relevantes de la física cuántica son los principios de superposición y entrelazamiento.

Superposición: Pensemos en un qubit como un electrón en un campo magnético. El giro del electrón puede estar alineado con el campo, que se conoce como estado giratorio hacia arriba (o spin up), u opuesto al campo, que se conoce como estado de giro hacia abajo (o spin-down). Según la ley cuántica, la partícula entra en una superposición de estados, en la que se comporta como si estuviera en ambos estados simultáneamente. Cada qubit utilizado podría adoptar los valores de 0 y 1 superpuestos.

Entrelazamiento: Las partículas que han interactuado en algún momento retienen un tipo de conexión y pueden entrelazarse formando pares, un proceso que se conoce como correlación. Dos partículas entrelazadas giran en sentido contrario, por lo que conociendo en qué dirección gira una se puede saber en qué dirección gira la otra. El entrelazamiento cuántico permite que qubits separados por distancias increíbles interactúen instantáneamente entre sí (sin estar limitados por la velocidad de la luz). Independientemente de la distancia entre las partículas correlacionadas, permanecen entrelazadas mientras permanezcan aisladas. La tremenda capacidad de procesamiento que prometen las tecnologías de computación cuántica se deriva de la combinación de superposición cuántica y entrelazamiento cuántico. Mientras que un registro de 2 bits en un ordenador normal sólo puede almacenar una de las cuatro configuraciones binarias (00, 01, 10 u 11) en un determinado momento, un registro de 2 bits en un ordenador cuántico puede almacenar los cuatro números simultáneamente, porque cada qubit representa dos valores. Agregando más qubits, la capacidad se incrementa de manera exponencial 5.

Las dificultades que plantean los ordenadores cuánticos

  • Interferencia – Durante la fase de cálculo de un cálculo cuántico, la más mínima perturbación en un sistema cuántico (por ejemplo, un fotón errante o una onda de radiación electromagnética) provoca el fallo del mismo, en un proceso que se conoce como decoherencia. Los ordenadores cuánticos deben estar totalmente aislados de toda interferencia externa durante la fase de cálculo.
  • Corrección de errores -Dada la naturaleza de la computación cuántica, la corrección de errores es de vital importancia, dado que un único error en un cálculo puede invalidar la totalidad del proceso computacional.
  • Observancia de los resultados -Íntimamente relacionado con los dos anteriores, la captura de los resultados del cálculo cuántico también entraña un riesgo de corrupción de datos.

¿En qué consiste la supremacía cuántica?

Según el Financial Times, Google afirma haber construido con éxito la computadora cuántica más poderosa del mundo 7.

Esto significa, según los investigadores de Google, su computadora fue capaz de realizar un cálculo que a un superordenador tradicional le hubieran llevado más de 10,000 años de procesamiento en aproximadamente 200 segundos. Y esto podría poner en un serio aprieto tanto a las tecnología de registros distribuidos (como Blockchain) como a las tecnologías de cifrado que las sustentan.

La criptografía asimétrica utilizada en los sistemas de cifrado se basa en pares de claves, es decir, una clave pública y privada. Las claves públicas se pueden calcular a partir de su contraparte privada, pero no al revés. Esto se debe a la imposibilidad de ciertos problemas matemáticos. Las computadoras cuánticas pueden realizar este tipo de cálculos de una manera infinitamente más eficiente, , y si el cálculo se realiza de la otra manera, toda la estructura se viene abajos 3.

Photograph of a chip constructed by D-Wave Systems Inc. designed to operate as a 128-qubit superconducting adiabatic quantum optimization processor, mounted in a sample holder.
Fotografía de un chip construido por D-Wave Systems Inc. diseñado para funcionar como un procesador de optimización cuántica adiabática superconductora de 128 qubits, montado en un soporte de muestra. Fuente: D-Wave Systems, Inc.

Parece que a Google todavía le queda mucho para construir un ordenador cuántico capaz de poner en peligro los sistemas de cifrado actuales, incluido el de Blockchain.

“La supercomputadora de Google actualmente tiene 53 qubits”, explica Dragos Ilie, investigador de computación cuántica y cifrado del Imperial College, en Londres. “Un sistema capaz de tener algún tipo de efecto sobre Bitcoin o la mayoría de sistemas financieros necesitaría disponer de una capacidad de cerca de 1500 qubits y permitir el entrelazamiento de todos ellos”, asegura. Además, el escalado de los ordenadores cuánticos es un “gran reto”, según Ilie 1.

Las redes blockchain, incluida la arquitectura de Bitcoin, se basan en dos algoritmos: El algoritmo de firma digital de curva elíptica (ECDSA) para firmas digitales y SHA-256 como función hash. Un ordenador cuántico podría usar el algoritmo de Shor [8] para descifrar una clave privada a partir de la pública, pero incluso según las estimaciones científicas más optimistas, incluso aun cuando se consiga en un futuro, no va a ser en los próximos 10 años.

Para descifrar una clave de curva elíptica de 160 bits, un ordenador cuántico necesitaría alrededor de 1000 qubits, mientras que factorizar un módulo RSA de seguridad equivalente a 1024 bits requeriría entre 1500 y 2000 qubits”. Obviamente, los modestos 53 qubits de Google todavía no son rival para este tipo de criptografía. Según un trabajo de investigación sobre el tema publicado por la Universidad de Cornell.

Pero eso no quiere decir que no haya motivo para alarmarse. Aunque los algoritmos de cifrado nativos utilizados por las aplicaciones de Blockchain son seguros por ahora, el hecho es que la tasa de avances en tecnología cuántica está aumentando, y esto podría, con el tiempo, plantear una amenaza. “Esperamos que la potencia de cálculo continúe creciendo a un ritmo exponencial doble”, investigadores de Google.

¿Criptografía cuántica?

La criptografía cuántica utiliza la física para desarrollar un sistema de cifrado completamente seguro e inexpugnable sin el conocimiento del remitente o el receptor de los mensajes. El propio término cuántico se refiere al comportamiento más fundamental de las partículas más pequeñas de materia y energía.

La criptografía cuántica difiere de los sistemas de cifrado tradicionales en que su modelo de seguridad incorpora principios físicos, no sólo matemáticos.

Esencialmente, la criptografía cuántica utiliza partículas/ondas de luz individuales (fotones) y sus propiedades cuánticas intrínsecas para desarrollar un sistema inexpugnable (porque es imposible medir el estado cuántico de cualquier sistema sin alterar ese sistema).

La criptografía cuántica utiliza fotones para transmitir una clave. Una vez que se transmite la clave, se puede realizar el cifrado utilizando el método normal de clave secreta. Pero, ¿cómo se convierte un fotón en una clave? ¿Cómo se adjunta información al giro de un fotón?

Aquí es donde entra en juego el código binario. Cada tipo de giro de un fotón representa una pieza de información, un 1 o un 0 en código binario. Este código usa cadenas de unos y ceros para crear un mensaje coherente. Por ejemplo, 11100100110 podría corresponder con hola. Por lo tanto, se puede asignar un código binario a cada fotón; por ejemplo, a un fotón que tiene un giro vertical ( | ) se le puede asignar un 1.

BBVA-OpenMind-Ahmed Banafa-Binary code-A binary code represents text, computer processor instructions, or any other data using a two-symbol system. The two-symbol system used is often "0" and "1" from the binary number system.
Un código binario representa texto, instrucciones del procesador de la computadora o cualquier otro dato que utilice un sistema de dos símbolos. El sistema de dos símbolos utilizado es a menudo “0” y “1” del sistema de números binarios.

Si se construyera correctamente, ningún pirata podría hackear el sistema. La clave reside en qué se entiende por construirlo correctamente, según el físico Renato Renner del Instituto de Física Teórica en Zúrich.

El cifrado normal, no cuántico, puede funcionar de varias maneras, generalmente cifrando un mensaje que sólo puede descifrarse utilizando una clave secreta. El truco es asegurarse de que nadie a parte de aquellos a quienes esté destinado el mensaje conozca esta clave secreta. Para descifrar la clave privada en un sistema criptográfico moderno generalmente hace falta averiguar los factores de un número producto de dos números primos muy altos.

Los números se eligen para ser tan grandes que, con la potencia de procesamiento de los ordenadores actuales, un algoritmo necesitaría más tiempo del que le queda al universo para factorizar su producto.

Las técnicas de cifrado tienen vulnerabilidades. Ciertos productos, llamados claves débiles, resultan ser más fáciles de factorizar que otros. Además, la Ley de Moore aumenta continuamente el poder de procesamiento de nuestros ordenadores. Aún más importante, los matemáticos están constantemente desarrollando nuevos algoritmos que permiten una factorización más fácil.

La criptografía cuántica evita todos estos problemas. Aquí, la clave se codifica mediante una serie de fotones que se transfieren entre las dos partes que desean compartir información secreta. Según Principio de Indeterminación de Heisenberg, es imposible observar los fotones sin alterar su velocidad, su posición o destruirlos.

“En este caso, no importa la tecnología de la que disponga un adversario, porque nunca podrán violar las leyes de la física”, asegura el físico Richard Hughes del Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México, que trabaja en criptografía cuántica 6.

Referencias:

[1] https://www.forbes.com/sites/billybambrough/2019/10/02/could-google-be-about-to-break-bitcoin/#1d78c5373329

[2] https://decrypt.co/9642/what-google-quantum-computer-means-for-bitcoin/

[3] https://www.coindesk.com/how-should-crypto-prepare-for-googles-quantum-supremacy?

[4] https://www.ccn.com/google-quantum-bitcoin/

[5] https://www.linkedin.com/pulse/20140503185010-246665791-quantum-computing/

[6] https://www.linkedin.com/pulse/20140608053056-246665791-understanding-quantum-cryptography/

[7] https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html

[8] https://qudev.phys.ethz.ch/static/content/QSIT15/Shors%20Algorithm.pdf

 

Ahmed Banafa

Faculty | Autor | Conferenciante| IoT Expert

 

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