Las computadoras cuánticas podrían causar una interrupción sin precedentes, tanto para bien como para mal, desde descifrar el cifrado que protege nuestros datos hasta resolver algunos de los acertijos más complejos de la química. Una nueva investigación nos ha dado más claridad sobre cuándo podría suceder eso.
Los esquemas de encriptación modernos se basan en problemas matemáticos diabólicamente difíciles que incluso las supercomputadoras más grandes tardarían siglos en descifrar. Pero las capacidades únicas de una computadora cuántica significan que, con el tamaño y la potencia suficientes, estos problemas se vuelven simples, lo que hace que el cifrado actual sea inútil.
Ese es un gran problema para la ciberseguridad y también representa un gran desafío para las criptomonedas, que utilizan claves criptográficas para proteger las transacciones. Si alguien pudiera descifrar el esquema de cifrado subyacente utilizado por Bitcoin, por ejemplo, podría falsificar estas claves y alterar las transacciones para robar monedas o llevar a cabo otras actividades fraudulentas.
Esto requeriría computadoras cuánticas mucho más grandes que las que tenemos hoy en día, pero no está claro exactamente qué tan grandes son. Un nuevo artículo en AVS Quantum Science de investigadores de la startup británica Universal Quantum ha revelado que se necesitaría una máquina con 317 millones a 1,9 mil millones de qubits para descifrar Bitcoin.
La gama de qubits es amplia porque hay una ventana variable dentro de la cual las transacciones son vulnerables. Esto es mientras esperan ser procesados, lo que normalmente toma entre diez minutos y una hora. Una computadora cuántica en el extremo inferior de esa escala podría seleccionar algunas transacciones, pero solo 1.900 millones de qubits garantizarían que podría apuntar a todas ellas. A veces, las transacciones pueden tardar hasta un día en realizarse, en cuyo caso los investigadores calcularon que solo necesitaría 13 millones.
Es importante tener en cuenta que estas cifras se relacionan con un tipo específico de computadora cuántica. Cosas como el tiempo que se tarda en realizar una sola operación o la cantidad de errores que se introducen en los cálculos pueden variar significativamente según el tipo específico de hardware utilizado para construir la computadora cuántica, y estos factores pueden tener un gran impacto en la cantidad de qubits necesarios. .
Para solucionar este problema, los investigadores crearon una herramienta que tiene en cuenta estas características de hardware al calcular el tamaño necesario de un dispositivo para un problema específico. Las cifras anteriores se refieren a una máquina con tiempos de operación de un microsegundo, lo cual es típico para las computadoras cuánticas superconductoras que están construyendo Google e IBM.
Los dispositivos de iones atrapados, preferidos por Universal Quantum, IonQ y Honeywell, tienen tiempos de funcionamiento cercanos a los 235 microsegundos. Para aquellos que confían en qubits de silicio, los tiempos pueden aumentar hasta los milisegundos, lo que puede aumentar significativamente la cantidad de qubits necesarios.
Los investigadores también estudiaron otro problema en el que se espera que las computadoras cuánticas superen a las convencionales: la simulación de moléculas. La enorme complejidad de calcular las interacciones incluso entre pequeñas cantidades de partículas significa que la mayoría de los modelos químicos se basan en aproximaciones, e incluso estas requieren supercomputadoras. Pero las computadoras cuánticas se rigen por las mismas reglas que los átomos y las moléculas, por lo que, con suficientes cúbits, deberían poder realizar simulaciones exactas en plazos razonables.
Un objetivo prometedor para dicho modelado es la molécula FeMoco que algunas plantas y microorganismos utilizan para fijar el nitrógeno del aire. Comprender cómo funciona podría conducir a ganancias masivas de eficiencia en la producción de fertilizantes, una industria que actualmente utiliza el dos por ciento del suministro mundial de energía.
Las computadoras convencionales son incapaces de simular la molécula, pero los investigadores descubrieron que un dispositivo superconductor podría resolver los cálculos en 10 días utilizando solo 7,5 millones de qubits. Usando la misma cantidad de qubits, un dispositivo de iones atrapados tardaría 2450 días, lo que probablemente no sea práctico, pero se puede lograr un tiempo de respuesta de 10 días con una máquina de 600 millones de qubits.
Sin embargo, el diseño específico al que se dirige Universal Quantum tiene un truco bajo la manga. Los qubits superconductores solo pueden hablar directamente con sus vecinos, y cualquier comunicación de largo alcance requiere cadenas de margaritas de interacciones de paso de mensajes que pueden absorber muchas operaciones. Por el contrario, las computadoras de iones atrapados pueden transportar físicamente sus qubits para permitirles interactuar directamente a distancias mucho mayores.
Esto reduce la cantidad de operaciones requeridas, lo que a su vez debería reducir la cantidad de qubits necesarios. Más importante aún, podría abrir la puerta a nuevos esquemas de corrección de errores que podrían ser considerablemente más eficientes que los que se utilizan en los dispositivos superconductores.
De cualquier manera, la investigación sugiere que tanto el descifrado de Bitcoin como la solución de la fijación de nitrógeno probablemente aún estén muy lejos. Y lo que es más importante, muestra que la escalabilidad va a ser muy importante para las computadoras cuánticas, en particular para aquellas basadas en iones atrapados, que probablemente necesitarán considerablemente más qubits que sus competidores superconductores.
Crédito de la imagen: Darwin Laganzon de Pixabay
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