Hablemos de computación cuántica


(Imagen : Getty Images)


La computación cuántica es un concepto conocido ya desde el siglo XX con el cual se busca mejorar el procesamiento de operaciones que realiza una computadora. Como se es sabido, una computadora puede procesar cierta cantidad de información por momento. Lo que la computación cuántica busca, es incrementar la velocidad con la que se realizan las operaciones.


Entendiendo bits cuánticos

La información de una computadora es representada en bits, que es una unidad de información representada con números binarios. Los bits son trasmitidos juntos para representar grandes piezas de información. Las computadoras solo trabajan a la velocidad en la que pueden procesar estos bits. Los bits solo pueden representar 2^n estados distintos y para cambiarlos son necesarias x operaciones. Las limitaciones de arriba pueden ser evitadas si pudiéramos hacer una superposición o entrelazamiento de estos bits. Se pueden almacenar mas de 2^n estados con la superposición, con ayuda de bits cuánticos (qubits) y las relaciones entre qubits se mantienen fijas con el entrelazamiento. Con esto se quiere decir que un solo bit puede llegar a un estado mixto donde pueden ser tanto un 1 como un 0 al mismo tiempo.



Imagen 1: Representación de funcionamiento de bit vs qubit. Via: https://towardsdatascience.com/quantum-computing-with-colorful-diagrams-8f7861cfb6da


La manera en la que una computadora trabaja es, que, para buscar una solución, busca todas las opciones posibles para llegar a ella. Esto se puede entender teniendo dos bits regulares. Las combinaciones posibles que poseen son 00, 01, 10, y 11. Una computadora intentaría una por una todas las combinaciones de estos bits hasta dar con la deseada. La manera en la que funcionan los qubits es que el par de bits son estas cuatro combinaciones al mismo tiempo gracias a la superposición, por lo cual todas las opciones son probadas al mismo tiempo. Esto incrementa exponencialmente la velocidad para realizar operaciones de una computadora, porque, estas operaciones se realizarán simultáneamente.


Limitaciones

Es difícil trabajar con qubits debido a lo especifico que necesitan ser sus condiciones para trabajar con ellos. Un Qubit requiere un cuarto completamente aislado, con una temperatura cercana al cero absoluto. La pequeña vibración de un átomo cercano puede causar que pierdan su estado de superposición, y si este estado se pierde, la computadora cuántica puede cometer errores en las operaciones, y también comenzaría a hacer operaciones a la velocidad de una computadora normal.


De momento ya existen computadoras cuánticas, pero no se pueden encontrar de manera comercial. La primera computadora cuántica fue operada en 1998. En 2020 IBM desarrollo la computadora cuántica mas grande del mundo, con 65 qubits. En 2018, Intel lanzo un procesador compuesto por 49 qubits.


Viendo hacia el futuro, IBM hizo planes para continuar innovando al construir computadoras de 127 qubits en 2021, 433 qubits para 2022 y 1,121 para 2023; Posteriormente una de un millón de qubits en una fecha que aún no ha sido fijada. IBM también ha producido la primera computadora cuántica disponible para el mercado general, que brindara acceso a la nube a su máquina llamada Q System One de 20 qubits.



Imagen 2: IBM Q System One, primera computadora cuántica comercial via: https://techcrunch.com/2019/01/08/ibm-unveils-its-first-commercial-quantum-computer/


Impacto en ciberseguridad

De momento la mayor parte del trabajo cuántico se ha hecho en organizaciones de investigación académica. Pero conforme aumenta el número de qubits disponibles por computadora, el interés comercial en este va aumentando, por lo que los despliegues empresariales aumentan.


De acuerdo con Forbes, la computación cuántica puede mejorar cuatro áreas de la ciberseguridad.


La primera, es la generación de números al azar. Esto es muy importante para la criptografía, ya que actualmente, la generación de números aleatorios usa algoritmos que generan números de una manera que no es completamente aleatoria.


La segunda es la comunicación segura a través de llaves criptografías cuánticamente. El intercambio de información atreves de estas llaves quánticas (QKD) incrementara la seguridad del intercambio de las llaves de encriptación, e incluso alertara cualquier brecha de seguridad. Actualmente QKD esta limitado a la trasmisión por fibras de diez kilómetros.


La tercera es casi el caso contrario a la segunda, ya que se buscaría un algoritmo capaz de desencriptar llaves públicas, como es el caso del algoritmo RSA, que está presente en los $4 trillones de dólares del ecomerce. A una computadora ordinaria le tomaría alrededor de un trillón de años romper el algoritmo, una computadora cuántica de 1 millón de qubits, podría hacerlo en cuestión de segundos.


La última área es machine learning. Entre mas se entrena a un modelo de machine learning, mas aumenta el volumen de la información y la complejidad usada. Usando qubits, el uso de los algoritmos podría aumentar exponencialmente su velocidad, y por consecuente su ahorro de energía.



Imagen 3: La importancia de la generación de números al azar, via: https://www.synopsys.com/designware-ip/technical-bulletin/true-random-number-generator-security-2019q3.html


En conclusión, la computación cuántica es un área que no es nueva y ya ha tenido avances importantes. Cuando estas computadoras puedan ser desarrolladas a un número de qubits más alto, sin duda abra una gran revolución en la manera en la que usamos las computadoras hoy en día. Esto afectará de manera directa a como se maneja hoy en día la ciberseguridad, ya que el romper algoritmos, no será una tarea imposible si se tiene acceso a esta tecnología. Un consejo muy importante será estar preparados para cuando el día llegue. No hay un día claro para cuando llegue una computadora con 1 millón de qubits, pero a la velocidad en la que se están desarrollando, el día no se ve muy lejano.


Autora

Elisa Sosa

Ingeniero de Seguridad Junior


Referencias

https://www.xataka.com/ordenadores/computacion-cuantica-que-es-de-donde-viene-y-que-ha-conseguido

https://cosmosmagazine.com/science/quantum-computing-for-the-qubit-curious/#:~:text=Quantum%20computing%20relies%20on%20quantum,the%20power%20of%20quantum%20computing.

https://www.science.org/content/article/ibm-promises-1000-qubit-quantum-computer-milestone-2023

https://www.forbes.com/sites/forbestechcouncil/2021/12/22/what-to-expect-from-quantum-computing-in-the-next-two-years/

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