Cómputo cuántico: qué es, qué resuelve y qué significa para la tecnología actual
Anthony Megrant (right) and Google Quantum AI's Hartmut Neven (left) at Google's Quantum AI lab, Nov 25, 2024. (File photo: Reuters/Stephen Nellis)
Un problema es que estos qubits requieren de condiciones de entorno muy especiales que mencionaremos más adelante, lo cual los hace inestables y entre más qubits están conectados en un sistema más complicado es mantenerlos estables.
De hecho la cantidad de qubits no es el único factor determinante para resolver problemas prácticos. La calidad de los qubits, su coherencia y la capacidad de corrección de errores son también cruciales y se estima que para abordar problemas reales de manera efectiva, se requerirían computadoras cuánticas con miles a cientos de miles de qubits de alta calidad, capaces de mantener la coherencia y corregir errores durante el tiempo necesario para realizar cálculos complejos.
Además, la corrección cuántica de errores es esencial para construir computadoras cuánticas tolerantes a fallos, lo que implica el uso de muchos qubits entrelazados para representar un qubit libre de ruido.
Aunque aún no utilizamos computadoras cuánticas en casa u oficinas (y no prevemos hacerlo por el momento), su impacto a largo plazo impulsará sectores específicos como la ciencia, la banca y la logística.
¿Qué pasa con los "chips cuánticos" en celulares y computadoras?
En años recientes, ha surgido el concepto de "chips cuánticos" en dispositivos modernos, como celulares o laptops. Sin embargo, estos no son procesadores cuánticos reales. La mayoría de estas tecnologías utilizan principios cuánticos, pero aplicados de formas específicas, como:
Generación de números aleatorios cuánticos (QRNG): Mejora la seguridad criptográfica.
Sensores avanzados: Basados en física cuántica para optimizar cámaras y mediciones precisas.
Marketing: Algunas empresas utilizan "cuántico" como un término atractivo para describir microchips avanzados.
Estos avances son útiles, pero no realizan cálculos cuánticos como los desarrollados por supercomputadoras de IBM, Google o centros de investigación.
¿Qué problemas que soluciona?
Como mencionamos, esta tecnología no es aplicable a todos los casos donde utilizamos equipos de cómputo para resolver problemas, su uso está enfocado en problemas de alta complejidad matemática y no en tareas cotidianas. Los desafíos específicos que puede resolver el cómputo cuántico principalmente incluyen:
Descubrimiento de fármacos mediante simulaciones precisas de moléculas complejas.
Simulación molecular, por ejemplo para la creación de nuevos materiales con propiedades específicas, como superconductores a temperatura ambiente, que revolucionarían el transporte de energía.
Optimización de procesos como los logísticos, mejorando la distribución en tiempo real en cadenas de suministro globales, o los financieros maximizando el retorno con menor riesgo
Criptografía post-cuántica, para proteger datos contra ataques futuros que podrían vulnerar sistemas actuales.
Inteligencia artificial y aprendizaje automático, aplicando algoritmos cuánticos para acelerar el procesamiento de datos y el entrenamiento de modelos complejos de machine learning.
Clima y medio ambiente, ayudando a modelar sistemas complejos, como el clima o la interacción entre contaminantes y el medio ambiente, para predecir escenarios y proponer soluciones o la creación de modelos energéticos más eficientes, como paneles solares optimizados a nivel molecular.
La supremacía cuántica se refiere al momento en que una computadora cuántica realiza cálculos que serían imposibles para las computadoras clásicas en un tiempo razonable. Este hito marca un avance significativo en la computación, demostrando la capacidad de los sistemas cuánticos para superar a los tradicionales en tareas específicas. Recientemente ha habido interesantes avances en esta materia:
Google y su chip Willow: En diciembre de 2024, Google presentó su chip cuántico denominado Willow, capaz de realizar en cinco minutos cálculos que la supercomputadora más potente tardaría 10 septillones de años en completar. Este chip, con 105 qubits, también ha mejorado en la corrección de errores, un desafío clave en la computación cuántica.
IBM presentó en 2022 su procesador cuántico Osprey con 433 qubits, y ha anunciado planes para desarrollar máquinas con hasta 100,000 qubits en la próxima década
China y su computadora de 504 qubits: En diciembre de 2024, China anunció el desarrollo de una computadora cuántica superconductor con 504 qubits, superando a los sistemas de Google e IBM. Este avance posiciona a China como un competidor destacado en la carrera por la supremacía cuántica.
Microsoft y Atom Computing: A finales de noviembre de 2024, Microsoft y Atom Computing lograron entrelazar 24 qubits lógicos con átomos neutros, alcanzando una fiabilidad del 99.6%. Este logro es un paso importante hacia la comercialización de computadoras cuánticas más fiables y potentes.
A pesar de estos avances la computación cuántica aún enfrenta retos importantes, especialmente los mencionados en la corrección de errores y la escalabilidad de los sistemas. La sensibilidad de los qubits al entorno puede introducir errores en los cálculos, lo que requiere sofisticados métodos de corrección para garantizar resultados precisos.
Google presentó Willow, https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/ el chip cuántico, mostró un pequeño dispositivo del tamaño de la palma de una mano. Sin embargo, las computadoras cuánticas completas que vemos en fotografías suelen ser grandes, con estructuras peculiares que parecen candelabros. Esto se debe a varios factores clave relacionados con la naturaleza de la computación cuántica.
El chip cuántico (QPU) es solo una parte del sistema, si bien Willow es el corazón de la computadora cuántica que contiene los qubits, aunque el chip en sí es pequeño, requiere un entorno específico y muy controlado para funcionar correctamente.
Los qubits son extremadamente sensibles a las vibraciones, el ruido electromagnético y la temperatura. La mayoría de los qubits actuales (como los superconductores, usados por Google) necesitan temperaturas cercanas al cero absoluto (-273.15 °C) para funcionar. Las estructuras grandes en forma de candelabro son refrigeradores criogénicos de varias capas, conocidos como dilution refrigerators. Estos enfriadores mantienen el chip cuántico en condiciones ultrafrías para minimizar los errores y el ruido térmico.
Además, una computadora cuántica necesita hardware adicional para operar correctamente, incluyendo controladores electrónicos que manejan las señales eléctricas necesarias para operar los qubits, sistemas que aíslan el chip cuántico de cualquier interferencia externa (luz, ruido, vibración), así como un cableado especializado que lleva señales de microondas y deben ser superconductores para evitar pérdidas de energía a bajas temperaturas.
Así que esta estructura en forma de candelabro no es solo estética, cada capa del enfriador criogénico cumple una función específica y aunque el chip que utiliza en efecto es del tamaño de una mano, esto no significa que podremos verlo pronto en computadoras del tamaño de las que utilizamos diario. En este video podemos ver más detalles en la explicación que hacen sobre la computadora y el chip de Google: https://youtu.be/FgZ-8NFSysA.
¿En qué casos sirve y en cuáles no?
El cómputo cuántico sirve para resolver principalmente problemas científicos, optimización extrema y criptografía avanzada, pero no es útil para tareas cotidianas como escribir correos electrónicos, jugar videojuegos o navegar en la web. Estas aplicaciones seguirán siendo dominio de las computadoras tradicionales.
En particular el cómputo cuántico ha sido presentado como una amenaza futura para los sistemas de cifrado actuales porque su capacidad de procesar información es exponencialmente mayor que la de las computadoras tradicionales pues puede realizar cálculos extremadamente complejos en un tiempo mucho menor. Aunque esto suena impresionante, la realidad es que todavía no hemos llegado a ese punto.
La raíz de la confusión radica en algoritmos como el de Shor, que en teoría, permitiría factorizar números primos con una velocidad asombrosa. Esto pondría en riesgo sistemas de cifrado simétrico ampliamente utilizados, como RSA y ECC, cuya seguridad depende precisamente de la dificultad de factorizar números muy grandes. Para una computadora clásica, este proceso puede tomar miles de años, pero una computadora cuántica suficientemente avanzada, en teoría, podría resolverlo en cuestión de horas o incluso minutos, si bien se han realizado pruebas de concepto con llaves de cifrado de longitudes cortas, aún no contamos con la tecnologia para romper las llaves que se utilizan actualmente.
Por otro lado, cifrados simétricos, como AES-256, también enfrentan riesgos debido a implementaciones cuánticas como el algoritmo de Grover, que reduce a la mitad el esfuerzo necesario para romperlos. Sin embargo, la criptografía simétrica sigue siendo más robusta frente a estas amenazas que la asimétrica, aunque aún sería vulnerable a ataques cuánticos si no se toman precauciones.
Actualmente, las computadoras cuánticas que existen en el mundo, como las desarrolladas por Google, IBM o centros de investigación chinos, están muy lejos de poder ejecutar estos algoritmos a gran escala. Aunque hemos visto avances impresionantes, estas máquinas cuentan con apenas cientos de qubits y tienen problemas fundamentales como la fragilidad de los qubits y los errores de cálculo. Para romper el cifrado fuerte que usamos hoy en día, serían necesarios miles o incluso millones de qubits estables y con sistemas efectivos de corrección de errores, un desafío técnico que aún no ha sido superado.
Mientras que la computación cuántica continúa su desarrollo, a nivel global nos estamos preparando para este futuro inevitable. La respuesta ha sido el desarrollo de criptografía postcuántica, es decir, algoritmos diseñados para resistir los ataques de computadoras cuánticas. Instituciones como el NIST (organismo de estandarización en Estados Unidos de América) y su homólogo en China ya han presentado estándares para criptografía post cuántica que protegerán la información en un mundo donde la computación cuántica sea una realidad y que pueden ser implementados con la tecnología actual. https://en.wikipedia.org/wiki/Post-quantum_cryptography.
Pero vi una noticia sobre una computadora cuántica personal, ¿no es cierto?
https://www.tomshardware.com/news/spinq-introduces-trio-of-portable-quantum-computers
En diciembre de 2022, SpinQ Technology presentó una serie de computadoras cuánticas portátiles diseñadas con fines educativos. Estos dispositivos, como el Gemini Mini, utilizan qubits basados en resonancia magnética nuclear (NMR) y operan a temperatura ambiente. Aunque su capacidad es limitada en comparación con las computadoras cuánticas avanzadas, ofrecen una plataforma accesible para la enseñanza y experimentación en computación cuántica. Sin embargo, es importante destacar que estos dispositivos no están destinados a resolver problemas complejos ni a reemplazar las computadoras tradicionales en tareas cotidianas, si bien utilizan qubits, en este caso sólo tienen dos o tres. Su principal objetivo es educativo, proporcionando una introducción práctica a los conceptos de la computación cuántica.
A manera de anécdota, hace poco en un evento alguien me dijo "le hicimos un servicio de pruebas de penetración en materia de ciberseguridad a un banco, les aseguramos que podríamos vulnerar su sistema y ellos estaban muy seguros de que no, pero llevamos una computadora cuántica portátil (será como la de SpinQ que mencioné?) y con eso entramos 'hasta la cocina'."
Le pregunté qué hicieron con la computadora cuántica y me dijeron que "es muy complicado de explicar, pero rompimos las claves de cifrado y los mecanismos de autenticación". Sigo algo confundido al respecto, porque parece que me perdí 5 o más años de desarrollo tecnológico y noticias al respecto. No he encontrado referencias sobre casos donde hayan logrado romper cifrado o mecanismos de autenticación por medio de computadoras cuánticas, pero estaré muy atento al tema.
Pero el chip de Google resolvió en 5 minutos algo que a una computadora normal le habría tomado 10 trillones de años, más que la edad del universo.
Sí, pero ese cálculo es un ejercicio especialmente diseñado para probar la supremacía cuántica, no tiene una aplicación en el mundo real, al menos por el momento.
En conclusión, es un futuro prometedor, pero aún lejano. La computación cuántica es una herramienta poderosa que cambiará el panorama tecnológico, pero aún está en sus primeras etapas. Si bien sus aplicaciones reales beneficiarán áreas como la ciencia, la salud y la seguridad, su uso sigue limitado a grandes organizaciones y laboratorios. Los "chips cuánticos" actuales, aunque interesantes, son solo un pequeño paso en la integración de principios cuánticos en dispositivos modernos.
Por ahora, las computadoras tradicionales siguen siendo nuestras herramientas más prácticas y eficaces para los problemas cotidianos, aunque la computación cuántica promete revolucionar problemas que hoy parecen imposibles.
Los qubits son extremadamente sensibles a las vibraciones, el ruido electromagnético y la temperatura. La mayoría de los qubits actuales (como los superconductores, usados por Google) necesitan temperaturas cercanas al cero absoluto (-273.15 °C) para funcionar. Las estructuras grandes en forma de candelabro son refrigeradores criogénicos de varias capas, conocidos como dilution refrigerators. Estos enfriadores mantienen el chip cuántico en condiciones ultrafrías para minimizar los errores y el ruido térmico.
Además, una computadora cuántica necesita hardware adicional para operar correctamente, incluyendo controladores electrónicos que manejan las señales eléctricas necesarias para operar los qubits, sistemas que aíslan el chip cuántico de cualquier interferencia externa (luz, ruido, vibración), así como un cableado especializado que lleva señales de microondas y deben ser superconductores para evitar pérdidas de energía a bajas temperaturas.
Así que esta estructura en forma de candelabro no es solo estética, cada capa del enfriador criogénico cumple una función específica y aunque el chip que utiliza en efecto es del tamaño de una mano, esto no significa que podremos verlo pronto en computadoras del tamaño de las que utilizamos diario. En este video podemos ver más detalles en la explicación que hacen sobre la computadora y el chip de Google: https://youtu.be/FgZ-8NFSysA.
¿En qué casos sirve y en cuáles no?
El cómputo cuántico sirve para resolver principalmente problemas científicos, optimización extrema y criptografía avanzada, pero no es útil para tareas cotidianas como escribir correos electrónicos, jugar videojuegos o navegar en la web. Estas aplicaciones seguirán siendo dominio de las computadoras tradicionales.
En particular el cómputo cuántico ha sido presentado como una amenaza futura para los sistemas de cifrado actuales porque su capacidad de procesar información es exponencialmente mayor que la de las computadoras tradicionales pues puede realizar cálculos extremadamente complejos en un tiempo mucho menor. Aunque esto suena impresionante, la realidad es que todavía no hemos llegado a ese punto.
La raíz de la confusión radica en algoritmos como el de Shor, que en teoría, permitiría factorizar números primos con una velocidad asombrosa. Esto pondría en riesgo sistemas de cifrado simétrico ampliamente utilizados, como RSA y ECC, cuya seguridad depende precisamente de la dificultad de factorizar números muy grandes. Para una computadora clásica, este proceso puede tomar miles de años, pero una computadora cuántica suficientemente avanzada, en teoría, podría resolverlo en cuestión de horas o incluso minutos, si bien se han realizado pruebas de concepto con llaves de cifrado de longitudes cortas, aún no contamos con la tecnologia para romper las llaves que se utilizan actualmente.
Por otro lado, cifrados simétricos, como AES-256, también enfrentan riesgos debido a implementaciones cuánticas como el algoritmo de Grover, que reduce a la mitad el esfuerzo necesario para romperlos. Sin embargo, la criptografía simétrica sigue siendo más robusta frente a estas amenazas que la asimétrica, aunque aún sería vulnerable a ataques cuánticos si no se toman precauciones.
Actualmente, las computadoras cuánticas que existen en el mundo, como las desarrolladas por Google, IBM o centros de investigación chinos, están muy lejos de poder ejecutar estos algoritmos a gran escala. Aunque hemos visto avances impresionantes, estas máquinas cuentan con apenas cientos de qubits y tienen problemas fundamentales como la fragilidad de los qubits y los errores de cálculo. Para romper el cifrado fuerte que usamos hoy en día, serían necesarios miles o incluso millones de qubits estables y con sistemas efectivos de corrección de errores, un desafío técnico que aún no ha sido superado.
Mientras que la computación cuántica continúa su desarrollo, a nivel global nos estamos preparando para este futuro inevitable. La respuesta ha sido el desarrollo de criptografía postcuántica, es decir, algoritmos diseñados para resistir los ataques de computadoras cuánticas. Instituciones como el NIST (organismo de estandarización en Estados Unidos de América) y su homólogo en China ya han presentado estándares para criptografía post cuántica que protegerán la información en un mundo donde la computación cuántica sea una realidad y que pueden ser implementados con la tecnología actual. https://en.wikipedia.org/wiki/Post-quantum_cryptography.
Pero vi una noticia sobre una computadora cuántica personal, ¿no es cierto?
https://www.tomshardware.com/news/spinq-introduces-trio-of-portable-quantum-computers
En diciembre de 2022, SpinQ Technology presentó una serie de computadoras cuánticas portátiles diseñadas con fines educativos. Estos dispositivos, como el Gemini Mini, utilizan qubits basados en resonancia magnética nuclear (NMR) y operan a temperatura ambiente. Aunque su capacidad es limitada en comparación con las computadoras cuánticas avanzadas, ofrecen una plataforma accesible para la enseñanza y experimentación en computación cuántica. Sin embargo, es importante destacar que estos dispositivos no están destinados a resolver problemas complejos ni a reemplazar las computadoras tradicionales en tareas cotidianas, si bien utilizan qubits, en este caso sólo tienen dos o tres. Su principal objetivo es educativo, proporcionando una introducción práctica a los conceptos de la computación cuántica.
A manera de anécdota, hace poco en un evento alguien me dijo "le hicimos un servicio de pruebas de penetración en materia de ciberseguridad a un banco, les aseguramos que podríamos vulnerar su sistema y ellos estaban muy seguros de que no, pero llevamos una computadora cuántica portátil (será como la de SpinQ que mencioné?) y con eso entramos 'hasta la cocina'."
Le pregunté qué hicieron con la computadora cuántica y me dijeron que "es muy complicado de explicar, pero rompimos las claves de cifrado y los mecanismos de autenticación". Sigo algo confundido al respecto, porque parece que me perdí 5 o más años de desarrollo tecnológico y noticias al respecto. No he encontrado referencias sobre casos donde hayan logrado romper cifrado o mecanismos de autenticación por medio de computadoras cuánticas, pero estaré muy atento al tema.
Pero el chip de Google resolvió en 5 minutos algo que a una computadora normal le habría tomado 10 trillones de años, más que la edad del universo.
Sí, pero ese cálculo es un ejercicio especialmente diseñado para probar la supremacía cuántica, no tiene una aplicación en el mundo real, al menos por el momento.
En conclusión, es un futuro prometedor, pero aún lejano. La computación cuántica es una herramienta poderosa que cambiará el panorama tecnológico, pero aún está en sus primeras etapas. Si bien sus aplicaciones reales beneficiarán áreas como la ciencia, la salud y la seguridad, su uso sigue limitado a grandes organizaciones y laboratorios. Los "chips cuánticos" actuales, aunque interesantes, son solo un pequeño paso en la integración de principios cuánticos en dispositivos modernos.
Por ahora, las computadoras tradicionales siguen siendo nuestras herramientas más prácticas y eficaces para los problemas cotidianos, aunque la computación cuántica promete revolucionar problemas que hoy parecen imposibles.
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