La computación cuántica promete toda una revolución en ciertos sectores de la industria y alcanzar terrenos ni siquiera imaginados por los mejores superordenadores clásicos (actuales y futuros). Por ejemplo, en el lado ‘amable’, la química cuántica será capaz de configurar tratamientos totalmente personalizados y ‘a la carta’; y también entrañará algunos peligros, como la pulverización de todo el sistema de seguridad informático actual. Pero, ¿cuándo ocurrirá todo esto y qué requisitos necesitan alcanzar los actuales equipos para llegar a este escenario? Un grupo de físicos teóricos de Reino Unido y Países Bajos se ha propuesto dar respuesta a esta pregunta. Los resultados acaban de publicarse en la revista ‘ AVS Quantum Science‘.
«La simulación de moléculas tiene aplicaciones para
la eficiencia energética, baterías, catalizadores mejorados, nuevos materiales y el desarrollo de nuevos medicamentos», explica Mark Webber, de la Universidad de Sussex y principal autor del estudio. «Existen más aplicaciones en todos los ámbitos, incluso para finanzas, análisis de big data, flujo de fluidos para diseños de aviones y optimizaciones logísticas».
El equipo se fijó en dos problemas concretos: por un lado, la rotura del cifrado Bitcoin, la moneda digital por excelencia con la que se puede transferir dinero de forma segura (hasta ahora) gracias a un sistema criptográfico de nodos que registran el historial de las cuentas en una base de datos pública conocida como ‘cadena de bloques’ o blockchain, y que impide el doble gasto o la falsificación de dinero. Por otro lado, la simulación de la molécula responsable de la fijación biológica del nitrógeno, un proceso vital para la fabricación de fertilizantes que actualmente se hace por un proceso de ‘ensayo y error’ que consume muchísima energía.
Después idearon una herramienta para determinar el tamaño de un ordenador cuántico para resolverlo teniendo en cuenta diferentes tipos de equipos: bits superconductores y trampas de iones. El primero es el sistema más avanzado hasta la fecha. Basado en cúbits superconductores, unos bits cuánticos que pueden ser a la vez 1 y 0 (al contrario de los bits clásicos, que solo pueden estar en un estado), han conseguido los resultados más prometedores y la conocida como ‘ supremacía cuántica‘. El procesador Sycamore de Google o el microchip chino Zuchongzhi son los ejemplos más destacados.
El problema de la corrección de errores
Sin embargo, estos equipos aún están lejos de ser ordenadores polivalentes ‘al uso’, y uno de sus principales escollos es la corrección de errores: necesitan de un sistema que les permita ejecutar algoritmos más largos compensando los errores inherentes dentro del ordenador cuántico. El camino más fácil parece crear procesadores con mejores y más cúbits, pero de momento las primeras máquinas apenas llegan al centenar de estos bits cuánticos. El grupo se planteó la pregunta de dilucidar cuántos cúbits necesitaría un ordenador cuántico para romper la seguridad de las criptomonedas.
«Nuestra herramienta automatiza el cálculo de la sobrecarga de corrección de errores en función de las especificaciones clave del hardware -explica Webber-. Para hacer que el algoritmo cuántico se ejecute más rápido, podemos realizar más operaciones en paralelo agregando más cúbits físicos. Introducimos cúbits adicionales según sea necesario para alcanzar el tiempo de ejecución deseado, que depende de manera crítica de la tasa de operaciones a nivel de hardware físico».
Así, sus cálculos estimaron que hasta los 30 millones a 300 millones de cúbits físicos, el sistema Bitcoin debería sentirse a salvo de un ataque cuántico. Sin embargo, aunque pueda parecer un salto enorme teniendo en cuenta que los actuales equipos tienen entre 50 y 100 cúbits, «los dispositivos de este tamaño ya se consideran alcanzables, y los avances futuros pueden reducir aún más este número».
Otros ‘caminos cuánticos’
Pero los superconductores no son el único tipo de sistema con el que se está probando la computación cuántica. También se fijaron en la tecnología denominada como ‘trampa de iones‘, donde los iones -átomos que tienen carga eléctrica- quedan atrapados en campos eléctricos o magnéticos que después son enfriados para inducir el estado de superposición (ese 1 y 0 a la vez de los bits cuánticos). «Hace cuatro años, estimamos que un dispositivo de trampa de iones necesitaría 1.000 millones de cúbits físicos para romper el cifrado RSA -el sistema en el que se basa toda la actual seguridad informática-, lo que requería un dispositivo con un área de 100 por 100 metros cuadrados -señala Webber-. Ahora, con mejoras en todos los ámbitos, esto podría verse reducido drásticamente a un área de solo 2,5 por 2,5 metros cuadrados».
Fertilizantes que ahorran energía
Los fertilizantes son claves sobre todo en la agricultura; sin embargo, el proceso químico de fijación del nitrógeno para fabricar este nutriente vegetal -en concreto, extraer nitrógeno del aire para producir amoniaco para fertilizantes- es un proceso que tiene un alto coste energético: consume el 2% de la energía que se produce en el planeta. Ahora mismo, este proceso se lleva a cabo mediante ‘ensayo y error’. Pero si se pudiera optimizar a través de un ordenador cuántico, simulando la molécula, podría ahorrar gran parte de esta energía y ser una herramienta en la lucha contra el cambio climático.
El equipo estimó que un equipo con 7,5 millones de cúbits físicos se podría simular esta molécula en diez días. Sin embargo, con un sistema de trampa de iones con los mismos cúbits se tardaría 2.450 días; sin embargo, si se quisiera igualar el tiempo, habría que aumentar hasta los 600 millones de cúbits físicos. «La buena noticia para el hardware con tiempos de ciclo de código más lentos es que a menudo será posible alcanzar los tiempos de ejecución deseables, siempre que haya suficientes qubits físicos disponibles», inciden los investigadores.
El equipo señala que, a pesar de todos los avances, aún es necesario continuar indagando en este campo tam prometedor. «Debemos continuar adaptando las estrategias de corrección de errores para explotar las fortalezas del hardware subyacente, lo que puede permitirnos resolver problemas de gran impacto con un ordenador cuántico de tamaño más pequeño de lo que podemos suponer».
Fuente
¿En qué momento la computación cuántica comprometerá toda la actual seguridad informática? (abc.es)
