¿Qué es la computación cuántica y cómo se diferencia de la computación clásica? ¿Qué es un qubit y cómo se utiliza en la computación cuántica?

La computación cuántica es una evolución emocionante en la computación. Mientras que las computadoras clásicas calculan en bits que representan 0 y 1, las computadoras cuánticas usan bits cuánticos, o qubits, para aprovechar los fenómenos mecánicos cuánticos como la superposición, el entrelazamiento y la interferencia para calcular, con el potencial de resolver problemas que son fundamentalmente inabordables para las computadoras clásicas.

En la computación clásica, millones de bits clásicos trabajan juntos para procesar y mostrar información, esto es la "velocidad" con la estamos familiarizados en teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y servidores en la nube. A su vez, las computadoras cuánticas aprovechan los fenómenos mecánicos cuánticos para manipular la información. Un qubit puede estar en una combinación de estados, que representan múltiples opciones de cómputo. Aquí es importante tener en cuenta que el mayor espacio de cómputo se refiere a opciones que podrían explorarse mediante un algoritmo diseñado adecuadamente. Los espacios de cómputo de un qubit no pueden ejecutar varios algoritmos al mismo tiempo o en paralelo. Pero la cantidad de opciones para la exploración crecen exponencialmente a medida que aumenta el número de qubits.

Para poner eso en perspectiva, en noviembre de 2022 anunciamos IBM Osprey, el nuevo procesador de 433 qubits, que cuenta con el mayor número de qubits que cualquier otro procesador cuántico de IBM, más que el triple de los 127 qubits del procesador IBM Eagle, presentado en 2021. Este procesador tiene el potencial de ejecutar cálculos cuánticos complejos mucho más allá de las capacidades de computación de cualquier computadora clásica. Como referencia, el número de bits clásicos que se necesitarían para representar un estado en el procesador IBM Osprey supera el número total de átomos en el universo conocido.

Como resultado, la computación cuántica es adecuada para ayudar a explorar nuevos enfoques para resolver problemas que actualmente son inabordables para las computadoras clásicas. Sin embargo, una no reemplaza a la otra, trabajan juntas. Al acelerar el desarrollo de la computación cuántica y distribuir de manera eficiente las cargas de trabajo entre los recursos cuánticos y clásicos, podemos ayudar a muchas industrias a encontrar nuevas formas de resolver los desafíos que enfrentamos.

¿Cuáles son las aplicaciones actuales de la tecnología cuántica?

Hoy, el equipo de IBM Quantum y sus clientes están investigando y explorando cómo la computación cuántica ayudará a una variedad de industrias y disciplinas, incluidas finanzas, energía, química, ciencia de materiales, optimización y aprendizaje automático, entre muchas otras. Se espera que la computación cuántica arroje luz sobre los procesos de interacciones moleculares y químicas, aborde problemas difíciles de optimización y aumente el poder de la inteligencia artificial. Avances como estos podrían abrir la puerta a nuevos descubrimientos científicos, medicamentos que salvan vidas y mejoras en las cadenas de suministro, la logística y el modelado de datos financieros.

Desde IBM, ofrecemos acceso a la flota más grande del mundo de más de 20 computadoras cuánticas a través de la nube para acelerar el descubrimiento e impulsar el desarrollo de aplicaciones de computación cuántica. Este ecosistema tiene más de 450.000 usuarios y más de 200 socios, incluidos clientes, instituciones académicas, laboratorios de investigación, startups y desarrolladores en IBM Quantum Network. Los socios de la industria incluyen ExxonMobil, HSBC, LG Electronics, Mercedes-Benz y otras compañías Fortune 500.

En América Latina, en julio de 2022, IBM anunció a su primer socio de IBM Quantum Network en la región, Quantum-South, la startup con sede en Uruguay que se unió a nuestra red de socios para aplicar la computación cuántica en el avance de la industria de carga aérea y marítima, incluyendo el potencial para una mayor eficiencia en el sector de logística, incrementar los ingresos y reducir los costos. 

Mencionemos un caso concreto. En América Latina, en julio de 2022, IBM anunció a su primer socio de IBM Quantum Network en la región, Quantum-South, la startup con sede en Uruguay que se unió a nuestra red de socios para aplicar la computación cuántica en el avance de la industria de carga aérea y marítima, incluyendo el potencial para una mayor eficiencia en el sector de logística, incrementar los ingresos y reducir los costos. 

Quantum-South utilizará la tecnología de IBM Quantum para desarrollar, experimentar y ejecutar pruebas de conceptos de soluciones potencialmente más efectivas para la logística de carga, como la gestión eficiente de contenedores y escenarios de optimización de combustible para aviones, entre otros. Asimismo, Quantum-South está desarrollando capacidades en servicios financieros y también trabajará en casos de uso enfocados en la optimización de la cartera de activos.

¿Qué es la criptografía cuántica y cómo se utiliza para asegurar la seguridad de la información?

Primero, es importante comprender que la criptografía cuántica se refiere específicamente al cifrado de información transmitida por una computadora cuántica. Esto es distinto de la criptografía resistente a la computación segura, que se refiere a algoritmos capaces de proteger sistemas y datos clásicos de ataques de fuerza bruta de futuras computadoras cuánticas tolerantes a fallas.

Las computadoras cuánticas están madurando a gran velocidad, quizás incluso más rápido de lo que podríamos haber previsto hace cinco años. Este rápido desarrollo también genera una consideración importante porque los sistemas que usamos hoy para salvaguardar datos confidenciales no serán seguros en un mundo donde las computadoras cuánticas han alcanzado su máximo potencial.

Los atacantes podrían estar robando grandes cantidades de datos cifrados que serían ilegibles con las herramientas contemporáneas, acumulando datos con la intención de decodificarlos una vez que se disponga de una mejor tecnología. Es posible que las organizaciones ya hayan experimentado infracciones de las que no se enterarán durante muchos años, lo que crea un entorno incierto de seguridad y responsabilidad.

Los estándares criptográficos actuales se basan en problemas que son fáciles de verificar para una computadora pero difíciles de resolver. Por ejemplo, las computadoras clásicas pueden tener dificultades para calcular los factores de números grandes, pero es fácil comprobar que dos números primos se multiplican para dar algunos números grandes. Por lo tanto, los métodos de encriptación modernos a menudo usan números muy grandes como códigos, de modo que sus factores primos forman la llave. Sin embargo, los algoritmos cuánticos ofrecen soluciones a algunos de estos problemas difíciles.

Por eso es crucial que los proveedores de tecnología tomen las medidas necesarias para proteger sus sistemas y datos. Aquí es donde entra en juego la criptografía resistente a la computación cuántica, que se refiere a los esfuerzos para identificar algoritmos que sean resistentes a los ataques de computadoras clásicas y cuánticas, para mantener seguros los activos de información incluso después de que se haya construido una computadora cuántica a gran escala.

En la última década, uno de los verdaderos avances en el campo de la criptografía resistente a la computación cuántica fue el desarrollo de nuevas técnicas que permiten construcciones extremadamente prácticas. Por ejemplo, La criptografía basada en celosías (Lattice cryptography) oculta datos dentro de problemas matemáticos complejos -estructuras algebraicas- llamados celosías. Por lo tanto, se ha convertido en uno de los enfoques más fructíferos para proporcionar primitivas fundamentales rápidas, seguras para la computación cuántica y permite construcciones de primitivas que antes se creían imposibles. Esta combinación ha establecido la criptografía basada en celosías como uno de los campos de investigación más fascinantes con potencial para convertirse en la columna vertebral de la criptografía del mundo real en un futuro próximo.

IBM desarrolló un proceso de varios pasos para hacer que las organizaciones puedan fortalecer su seguridad resistente a la computación cuántica rápidamente. Trabajamos con los clientes para identificar dónde se encuentran las vulnerabilidades a los ataques de criptografía cuántica, luego preparamos un inventario de sus esquemas de encriptación y datos existentes. Esos inventarios se convierten en marcos para sus transiciones a la criptografía resistente a la computación cuántica, lo que les permite cambiar de una manera altamente estructurada primero a un esquema de cifrado híbrido y luego a un régimen seguro para la computación cuántica. Pasar por este proceso hace que su infraestructura informática sea más adaptable incluso después de la transición. La próxima vez que un cliente necesite actualizar su seguridad, puede hacerlo aún más rápido gracias a la educación y la estructura obtenidas durante este proceso.

¿Cuáles son los últimos avances en esta materia?

Estamos viendo algunas noticias emocionantes para la criptografía resistente a la computación cuántica. Por ejemplo, recientemente, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) eligió cuatro herramientas resistentes a la computación cuántica que se utilizarán como parte de su "estándar criptográfico poscuántico", que se espera que finalice en los próximos dos años. Los cuatro métodos de cifrado se seleccionaron de un grupo de 82 al final de una competencia que NIST anunció en 2016. IBM se enorgullece de haber desarrollado tres de estas cuatro herramientas en colaboración con nuestros socios académicos y de la industria. Y hoy, IBM ofrece servicios a clientes que esperan proteger sus datos de la computación cuántica con IBM Quantum Safe.

Además, debido a nuestra experiencia tanto en criptografía como en computación cuántica, y nuestro papel clave en el desarrollo de los nuevos estándares que mencioné anteriormente, estamos trabajando para preparar a los clientes y los socios para la transición a la criptografía resistente a la computación cuántica. También incorporamos algoritmos de seguridad resistente a la computación cuántica aprobados por NIST en IBM z16.

La industria también se está preparando. Recientemente IBM y Vodafone anunciaron una colaboración para explorar cómo aplicar la criptografía resistente a la computación cuántica de IBM en toda la infraestructura tecnológica de Vodafone.

Según el foro económico mundial, más de 20 mil millones de dispositivos digitales deberán actualizarse o reemplazarse en los próximos 10 a 20 años para utilizar las nuevas formas de comunicación cifrada resistente a la cuántica, ¿qué significará esto en la práctica? ¿Cómo afecta la ciberseguridad esta tecnología?

Ya sean que se trate de automóviles, aviones o incluso centrales eléctricas, si esos sistemas estarán operativos dentro de 10 a 30 años, ya deben comenzar a planificar una migración hacia la criptografía de celosía, porque una vez que los productos estén en funcionamiento, será más difícil actualizarlos.

Construir una computadora cuántica completamente funcional es uno de los desafíos científicos y de ingeniería más emocionantes de la actualidad. Lograr este anhelado objetivo podría tener un efecto muy positivo en áreas de la ciencia como la inteligencia artificial y la bioinformática, que se beneficiarán al tener acceso a vastos recursos computacionales.

La seguridad de la información, por otro lado, podría verse afectada negativamente por este avance tecnológico. Si hoy apareciera una computadora cuántica con suficientes qubits, prácticamente todas las comunicaciones electrónicas se volverían inseguras. E incluso si tal dispositivo solo aparece dentro de varios años podría comprometer todas las comunicaciones secretas que actualmente están almacenadas.

Los detalles para reemplazar la criptografía actual con esquemas criptográficos resistentes a la computación cuántica requerirán más análisis, desarrollo y estrategia que un simple cambio y reemplazo. Siendo realistas, lo que las organizaciones deberían esperar implementar son estrategias híbridas que combinen protocolos de seguridad cuántica con los estándares criptográficos existentes para garantizar que los datos estén seguros y protegidos contra las amenazas que existen ahora y que surgirán en el futuro cercano.

Dado que la era de la computación cuántica puede llegar muy pronto, vale la pena comenzar temprano el viaje para pasar de "seguro" a "seguro para la computación cuántica". El primer paso para llegar a ese lugar es la educación: comprender la criptografía resistente a la computación cuántica y cuáles son sus implicaciones para las organizaciones. La clave es asociarse con expertos en criptografía para el cifrado de datos a prueba de las acciones que podrían estar disponibles en el corto plazo y tomar las decisiones que protegerán los sistemas de la organización en el futuro.