Hitos y desafíos de la Computación Cuántica

Hola, estimado lector.

Tal como te prometí la semana pasada, te traigo hoy la segunda y última parte de este apasionante tema.

Te espero al final de la lectura.



Computación Cuántica (II)

National Academy of Sciences






“Hitos

Los primeros hitos del progreso de la Computación Cuántica en lo referente a la calidad de sus procesos se dio mediante la demostración de sistemas analógicos y digitales simples de prueba.

En 2017 se dispuso de pequeños ordenadores digitales NISQ, con decenas de qubits, con errores demasiado elevados para ser corregidos.

Desde hacía más de una década se habían desarrollado los “recocidos cuántico”, que eran una una forma de computación para la resolución de problemas de optimización combinatoria que presentaba grandes ventajas en algunos algoritmos con respecto a las simulaciones clásicas.

Así, en 2017 los recocidos cuánticos experimentales habían crecido hasta convertirse en máquinas con unos 2.000 qubits.

Desde este punto de partida, el progreso pudo identificarse con la consecución de varios hitos posibles, siendo uno la "supremacía cuántica", o realización de una tarea intratable en un ordenador clásico, tenga o no utilidad práctica.

Otro hito importante fue la creación de un ordenador cuántico comercialmente útil, capaz de realizar al menos una tarea práctica de forma más eficiente que cualquier ordenador clásico.

La implementación de la QEC para crear un qubit lógico con una reducción significativa de la tasa de error fue otro hecho clave para crear máquinas totalmente corregidas de errores.


Métricas

El progreso de la computación cuántica puede controlarse mediante el seguimiento de las propiedades clave que definen la calidad de su procesador: las tasas de error efectivas de las operaciones de uno y qubits, la conectividad interqubit y el número de qubits contenidos en un único módulo de hardware.

A corto plazo, puede seguirse mediante la tasa de escalado de los qubits físicos con una tasa media de error constante, mediante una evaluación comparativa aleatoria; y a largo plazo mediante el número efectivo de qubits lógicos (con corrección de errores) que representa un sistema.

El seguimiento del tamaño y la tasa de escalado de los qubits lógicos proporcionará una mejor estimación del calendario de futuros hitos.

Un conjunto de aplicaciones comparativas que permita la relación entre diferentes máquinas ayudaría a impulsar mejoras en la eficiencia del software cuántico y la arquitectura del hardware subyacente.


Ordenadores cuánticos y criptografía.

La computación cuántica tendrá un gran impacto en la criptografía, que se basa en problemas difíciles de calcular para proteger los datos.

El algoritmo de Shor ejecutado en un gran ordenador cuántico reducirá en gran medida el cálculo necesario para extraer los cifrados asimétricos utilizados para proteger casi todo el tráfico de Internet y los datos cifrados almacenados.

Existe un gran interés comercial por implantar la criptografía poscuántica mucho antes de que se construya dicho ordenador cuántico.

Las empresas y los gobiernos no pueden permitirse que sus comunicaciones, ahora privadas, sean descifradas en el futuro, aunque ese futuro esté a 30 años vista.

Por esta razón, es necesario iniciar la transición a la criptografía post-cuántica lo antes posible, sobre todo porque se necesita más de una década para dejar obsoletos los estándares web existentes.


Dado el estado actual de la computación cuántica y los recientes ritmos de progreso, es altamente inesperado que se construya en la próxima década un ordenador cuántico que pueda comprometer el RSA 2048 o criptosistemas de clave pública comparables basados en logaritmos discretos.

Incluso si un ordenador cuántico capaz de descifrar los cifrados criptográficos actuales está a una década de distancia, el riesgo de una máquina de este tipo es lo suficientemente alto -y el plazo para la transición a un nuevo protocolo de seguridad es lo suficientemente largo e incierto- como para priorizar el desarrollo, la estandarización y el despliegue de la criptografía post-cuántica, siendo fundamental para minimizar la posibilidad de un potencial desastre de seguridad y privacidad.

Dado el gran riesgo que supone un ordenador cuántico para los protocolos actuales, existe un esfuerzo activo para desarrollar criptografía post-cuántica, cifrados asimétricos que un ordenador cuántico no puede derrotar.

Mientras que la utilidad potencial del algoritmo de Shor para descifrar la criptografía desplegada fue uno de los principales motores del entusiasmo inicial en la investigación de la computación cuántica, la existencia de algoritmos criptográficos que se cree que son resistentes al quantum reducirá la utilidad de un ordenador cuántico para el criptoanálisis y, por tanto, reducirá la medida en que esta aplicación impulsará la I+D en computación cuántica a largo plazo.


Riesgos y beneficios de la computación cuántica

Siguen existiendo importantes barreras técnicas antes de que se pueda conseguir un CC práctico, y no hay garantía de que se vayan a superar.

La construcción y el uso de los CC requerirán no sólo la ingeniería de los dispositivos, sino también avances fundamentales en la convergencia de una serie de disciplinas científicas, desde la informática y las matemáticas hasta la física, la química y la ciencia de los materiales.

Sin embargo, estos esfuerzos también ofrecen beneficios potenciales.

Por ejemplo, los resultados de la I+D en materia de control de calidad ya han contribuido al progreso de la física -por ejemplo, en el ámbito de la gravedad cuántica- y de la informática clásica al motivar o informar sobre las mejoras de los algoritmos clásicos.

La computación cuántica es valiosa para impulsar la investigación fundacional que ayudará a avanzar en la comprensión del universo por parte de la humanidad.

Al igual que ocurre con toda la investigación científica fundamental, los descubrimientos en este campo podrían dar lugar a nuevos conocimientos y aplicaciones transformadores.

El éxito de la computación cuántica requerirá un control sin precedentes de la coherencia cuántica, ampliando los límites de lo que es posible mediante el perfeccionamiento de las herramientas y técnicas existentes, o quizás incluso desarrollando otras nuevas.

Aunque la viabilidad de un ordenador cuántico a gran escala aún no es segura, es probable que los beneficios del esfuerzo por desarrollar un control de coherencia (sistema físico que deja de exhibir sus efectos contraintuitivos cuánticos)sean grandes, y pueden seguir extendiéndose a otras aplicaciones a más corto plazo de la tecnología de la información cuántica, como la detección basada en qubits.

Cualquier entidad que posea un ordenador cuántico práctico a gran escala podría romper los criptosistemas asimétricos actuales, lo que supondría una importante ventaja para la inteligencia de señales.

La conciencia de este riesgo ha puesto en marcha esfuerzos para crear y desplegar sistemas criptográficos que sean robustos al criptoanálisis cuántico, para lo cual existen varios candidatos que actualmente se consideran seguros desde el punto de vista cuántico.

Además, los nuevos algoritmos o implementaciones cuánticas podrían dar lugar a nuevas técnicas criptoanalíticas cuánticas; al igual que ocurre con la ciberseguridad en general, la resiliencia post-cuántica requerirá una investigación de seguridad continua.

Pero las cuestiones de seguridad nacional trascienden la criptografía. La cuestión estratégica más amplia se refiere al futuro liderazgo económico y tecnológico.

Históricamente, la computación clásica ha tenido un impacto transformador en toda la sociedad.

Aunque el potencial de aplicación de los algoritmos cuánticos a las aplicaciones industriales y de investigación sólo ha empezado a explorarse, está claro que la computación cuántica tiene el potencial de trascender los límites computacionales actuales.

El potencial para mejorar la eficiencia en muchas áreas de la computación sugiere que el apoyo a una sólida comunidad de investigación de la computación cuántica en Estados Unidos tiene un valor estratégico.


Conclusión

Basándose en la evaluación de la información disponible públicamente sobre los progresos realizados hasta la fecha en el campo de la computación cuántica, no se ve ninguna razón fundamental por la que no pudiera construirse en principio un gran ordenador cuántico tolerante a fallos.

Sin embargo, siguen existiendo importantes retos técnicos en el camino hacia la construcción de un sistema de este tipo, y hacia su despliegue con ventaja práctica para una tarea valiosa.

Además, las futuras decisiones sobre los niveles de financiación, que probablemente dependerán de los éxitos a corto plazo y de las aplicaciones comerciales, así como la fuerza y la apertura de la comunidad investigadora tanto en Estados Unidos como en el extranjero, influirán en el calendario para conseguir un ordenador práctico de dominio público.

Los avances en este campo pueden seguirse utilizando las métricas propuestas.

Independientemente de cuándo se construya -o de si se construye- un gran ordenador cuántico con corrección de errores, la I+D continuada en computación cuántica y tecnologías cuánticas ampliará los límites del conocimiento científico de la humanidad, y los resultados que aún se obtengan podrían transformar nuestra comprensión del universo.”


Aquí estoy. No me fui. Estas son mis reflexiones.

Desde 1938, cuando el ingeniero alemán Konrad Suze creó la primera computadora, llamada Z1, de funcionamiento electromecánico y programable mediante un sistema binario, hasta hoy, el progreso ha sido exponencial e imprevisible, aún para los científicos más renombrados de cada época.

Pensar en un mundo sin ella sería materialmente imposible de concebir e implicaría una regresión inaceptable para el género humano.

En la actualidad la Computación Cuántica nos propone nuevos e increíbles retos.

La llamada Física del Tercer Milenio comienza en medio de ciertas operaciones matemáticas que las supercomputadoras actuales demorarían 10.000 años en resolverlas y que con una computadora cuántica se puede lograr en 200 segundos.

Sus usos potenciales en los distintos campos como la salud, la economía, la ciencia espacial, la investigación y la industria son inagotables, así como el acceso a información encriptada que debería ser de dominio público.

Como toda nueva herramienta, es de esperar que sea utilizada en beneficio de la humanidad toda y no termine convirtiéndose en un motivo de luchas de poder entre los sápiens y contribuya a lograr un mundo con menores desigualdades sociales”.


Me gustaría conocer tu honesta opinión con respecto a este artículo.

Gracias por colaboración.

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