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03 mayo 2022

Tendencias en computación cuántica

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La computaci√≥n cu√°ntica es el √°rea de estudio que se ocupa de desarrollar tecnolog√≠a inform√°tica basada en los principios de la teor√≠a cu√°ntica. Las tecnolog√≠as cu√°nticas pueden ser un gran disruptor de los negocios existentes, por lo que en todo el mundo se est√°n invirtiendo decenas de miles de millones de capital p√ļblico y privado: en 2021, se han dedicado 24 mil millones de d√≥lares a investigaci√≥n y aplicaciones cu√°nticas.

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Diferencias entre la inform√°tica cl√°sica y la cu√°ntica

Inform√°tica cl√°sica

En √ļltima instancia, la inform√°tica cl√°sica se basa en el √°lgebra de Boole, mediante el cual cada dato solo admite un estado binario excluyente, 0 o 1, lo que llamamos un ‚Äúbit‚ÄĚ de informaci√≥n. El tiempo durante el cual cada transistor o condensador permanece en 0 o 1 antes de cambiar de estado ya se mide en tan solo mil millon√©simas de segundo, pero, aun as√≠, la rapidez de ese cambio de estado tiene un l√≠mite f√≠sico.

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En la inform√°tica cl√°sica, los datos deben procesarse en todo momento en un estado binario excluyente.

A medida que logramos fabricar circuitos cada vez m√°s peque√Īos y m√°s r√°pidos, nos asomamos al l√≠mite f√≠sico de los materiales y el umbral en que nos frenan las leyes de la f√≠sica cl√°sica. Pasado ese punto, entra en juego el mundo cu√°ntico. En un ordenador cu√°ntico, los estados 0 y 1 vienen representados por la carga o polarizaci√≥n de las part√≠culas elementales, como electrones o fotones. La computaci√≥n cu√°ntica se basa en el comportamiento de estas part√≠culas, cada una de las cuales se conoce como bit cu√°ntico o qubit. Como sustrato f√≠sico de la l√≥gica, los ordenadores cl√°sicos usan transistores, mientras que los ordenadores cu√°nticos usan iones atrapados, bucles superconductores, puntos cu√°nticos o vac√≠os de nitr√≥geno en un diamante.

Qubits físicos frente a qubits lógicos

En el ámbito de un ordenador cuántico con corrección de errores, hablamos de qubits físicos y lógicos. Los qubits físicos son el sustrato físico del ordenador, mientras que un qubit lógico es un grupo de qubits físicos que se consideran un solo qubit para cancelar el ruido y mejorar la corrección de errores.

Veamos como ejemplo un ordenador cuántico con 100 qubits. Digamos que esta máquina es propensa al ruido. Para remediarlo, podemos usar 10 qubits físicos para formar un qubit lógico de estabilidad aceptable. Por tanto, diríamos que nuestro ordenador cuántico comprende 100 qubits físicos que empleamos como 10 qubits lógicos.

Es muy importante distinguir entre qubits f√≠sicos y l√≥gicos. Para realizar determinados c√°lculos existen distintas estimaciones de cu√°ntos qubits ser√≠an necesarios, pero algunas estimaciones hablan de qubits l√≥gicos y otras de qubits f√≠sicos. Por ejemplo, para descifrar un mensaje cifrado seg√ļn el m√©todo RSA, necesitar√≠amos miles de qubits l√≥gicos y por tanto millones de qubits f√≠sicos.

Adem√°s, se debe tener en cuenta que, en un ordenador cl√°sico, a medida que se incrementa el n√ļmero de transistores y la velocidad de reloj, la potencia de computaci√≥n aumenta de forma lineal, pero, en un ordenador cu√°ntico, con la adici√≥n de cada qubit l√≥gico la potencia aumenta de forma exponencial.

Superposición y entrelazamiento cuánticos

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

Superposici√≥n: Pensemos en un qubit como un electr√≥n en un campo magn√©tico. El spin (esp√≠n) del electr√≥n puede estar alineado con el campo, lo que se conoce como estado de spin-up, u oponerse al campo, lo que se conoce como estado de spin-down. Seg√ļn las leyes de la f√≠sica cu√°ntica, la part√≠cula entra en una superposici√≥n de estados, en la que se comporta como si estuviera en ambos estados a la vez. Por tanto, cada qubit utilizado podr√≠a experimentar una superposici√≥n de 0 y 1. Mientras que en un momento dado un registro de 2 bits en un ordenador cl√°sico puede almacenar solo una de las cuatro configuraciones binarias posibles (00, 01, 10 u 11), un registro de 2 qubits en un ordenador cu√°ntico puede almacenar los cuatro n√ļmeros simult√°neamente, porque cada qubit representa dos valores. Si se a√Īaden m√°s qubits, adem√°s, la capacidad se ampl√≠a de forma exponencial.

Entrelazamiento: Dos part√≠culas que hayan interactuado en alg√ļn momento conservan una conexi√≥n y se entrelazan como un par, en un proceso conocido como correlaci√≥n, de modo que conocer el estado de spin de una part√≠cula entrelazada (spin-up o spin-down) nos permite saber que el spin de su pareja tiene la direcci√≥n opuesta. El entrelazamiento cu√°ntico admite que qubits separados por enormes distancias interact√ļen entre s√≠ de forma instant√°nea (sin limitarse a la velocidad de la luz), porque, sin importar la distancia entre las part√≠culas correlacionadas, estar√°n entrelazadas siempre que permanezcan aisladas. En conjunto, la superposici√≥n y el entrelazamiento crean una potencia de computaci√≥n enormemente mejorada.

Tipos de ordenadores cu√°nticos

Los ordenadores cuánticos se dividen en cuatro categorías:

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Emulador/simulador cu√°ntico

Ordenadores cl√°sicos que ya est√°n en el mercado. Ya que simulan algoritmos cu√°nticos, facilitan la puesta a prueba y depuraci√≥n de algoritmos cu√°nticos que alg√ļn d√≠a podr√≠an ejecutarse en un ordenador cu√°ntico universal (UQC, por sus siglas en ingl√©s). Sin embargo, no se basan en hardware cu√°ntico, por lo que no son m√°s r√°pidos que los ordenadores normales.

Ordenador de temple cu√°ntico

Ordenador cu√°ntico dise√Īado para el fin espec√≠fico de resolver problemas de optimizaci√≥n combinatoria. No aborda problemas generales de computaci√≥n ni criptograf√≠a. Si bien tiene m√°s qubits f√≠sicos que ning√ļn otro sistema cu√°ntico actual, no est√° configurado en qubits l√≥gicos basados en puertas l√≥gicas. Actualmente, el temple cu√°ntico es una tecnolog√≠a comercial en busca de un mercado viable a futuro.

Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)

Los sistemas NISQ son prototipos de ordenador cu√°ntico universal, pero varios √≥rdenes de magnitud menores en n√ļmero de bits, al ofrecer solo 50-100 qubits, profundidad limitada de puertas l√≥gicas y tiempos de coherencia muy cortos. Como les faltan varios √≥rdenes de magnitud de qubits, los ordenadores NISQ no sirven para ning√ļn c√°lculo √ļtil en s√≠ mismo. No obstante, son necesarios para que aprendamos a manejar los sistemas m√°s avanzados que vendr√°n, y para crear software en paralelo al desarrollo del hardware. Representan los ‚Äúruedines‚ÄĚ para los ordenadores cu√°nticos universales del futuro.

Ordenadores cu√°nticos universales / Cryptographically Relevant Quantum Computers (CRQC)

Esta clase de ordenador cu√°ntico constituye el objetivo final. Si pudi√©ramos construir un ordenador cu√°ntico universal con tolerancia a fallos (es decir, millones de qubits f√≠sicos con correcci√≥n de errores, dando como resultado miles de qubits l√≥gicos), podr√≠amos ejecutar algoritmos cu√°nticos en criptograf√≠a, b√ļsqueda y optimizaci√≥n, simulaciones de sistemas cu√°nticos y solucionadores de ecuaciones lineales.

CIFRADO POST-CU√ĀNTICO / RESISTENTE A COMPUTACI√ďN CU√ĀNTICA

Los nuevos sistemas criptográficos se protegerían tanto de los ordenadores cuánticos como de los convencionales, e interoperarían con los protocolos y redes de comunicación existentes. Los algoritmos de clave simétrica del CNSA han sido desarrollados para proteger los sistemas de seguridad nacional incluso si se logra crear un CRQC. Los métodos criptográficos que el sector considera resistentes a la computación cuántica incluyen criptografía en celosías, árboles Merkle de funciones hash, ecuaciones multivariadas y curvas elípticas de isogenias supersingulares.

Las dificultades de los ordenadores cu√°nticos

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  • Interferencia: durante la fase de computaci√≥n de un c√°lculo cu√°ntico, la m√°s m√≠nima perturbaci√≥n (por ejemplo, un fot√≥n perdido o una onda de radiaci√≥n electromagn√©tica) colapsa la computaci√≥n, al desencadenar un proceso conocido como ‚Äúdecoherencia‚ÄĚ. Por tanto, durante la fase de c√°lculo, un ordenador cu√°ntico debe estar totalmente aislado de toda interferencia externa.
  • Correcci√≥n de errores: por las caracter√≠sticas de la computaci√≥n cu√°ntica, la correcci√≥n de errores es absolutamente cr√≠tica, ya que el m√°s m√≠nimo error en un c√°lculo lo invalida por completo.
  • Observaci√≥n de resultados: en estrecha relaci√≥n con los dos factores anteriores, la observaci√≥n de los resultados de un c√°lculo cu√°ntico se expone al riesgo de corromper los datos.

 

Ahmed Banafa, autor de los libros:

Secure and Smart Internet of Things (IoT) Using Blockchain and AI

Blockchain Technology and Applications

Quantum Computing

 

Referencias

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