Los PC cuánticos capaces de descifrar códigos están a un paso de la realidad

AXCESS · Septiembre 04, 2024, 12:41:51 AM

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En el mundo de la seguridad digital, es probable que su correo electrónico más reciente se haya beneficiado de métodos de cifrado probados y comprobados. Estos métodos se basan en la idea de que incluso las computadoras clásicas más rápidas no pueden factorizar fácilmente números enormes. Pero las computadoras cuánticas, con su enfoque radicalmente diferente, prometen cambiar los conceptos de cifrado y descifrado de códigos para siempre.

El Dr. Peter Shor, un destacado profesor del MIT, causó revuelo en el mundo de la computación cuántica en 1994 con su algoritmo de factorización cuántica.

Su trabajo sugería que las computadoras cuánticas podrían algún día desentrañar sistemas criptográficos como el RSA, que están diseñados para ser virtualmente indescifrables por medios convencionales.

Sin embargo, a pesar de los avances significativos en las últimas tres décadas, los científicos aún no han construido una computadora cuántica capaz de ejecutar el algoritmo de Shor a escala práctica.

Computadoras cuánticas: de la teoría a la práctica

Los investigadores están explorando ahora formas de hacer que la factorización cuántica sea práctica incluso con sistemas cuánticos más pequeños. Hace aproximadamente un año, Oded Regev, de la Universidad de Nueva York, propuso una mejora teórica innovadora.

Su algoritmo prometía una computación más rápida, pero requería más memoria. Este desarrollo fue un gran paso adelante, pero introdujo un nuevo desafío: el aumento de las demandas de memoria.

Basándose en el trabajo de Regev, un equipo del MIT ha presentado recientemente un enfoque híbrido que fusiona la velocidad del algoritmo de Regev con la eficiencia de memoria del de Shor.

Este nuevo algoritmo es tan rápido como el de Regev, pero utiliza menos bloques de construcción cuánticos, conocidos como cúbits, y es mejor para manejar el ruido cuántico. ¿El resultado? Una implementación potencialmente más factible de la factorización cuántica.

"Si alguna vez se construyen computadoras cuánticas a gran escala, entonces la factorización se acabará y tendremos que encontrar algo más que usar para la criptografía", dice Vinod Vaikuntanathan, profesor de Ingeniería de la Fundación Ford y miembro del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT.

"Pero, ¿cuán real es esta amenaza? ¿Podemos hacer que la factorización cuántica sea práctica? Nuestro trabajo podría potencialmente acercarnos un paso más a una implementación práctica".

Comprender RSA y las amenazas cuánticas

Para comprender la importancia de estos avances, echemos un vistazo más de cerca al cifrado RSA. Desarrollado por Ron Rivest, Adi Shamir y Leonard Adleman del MIT en la década de 1970, el cifrado RSA se basa en la complejidad de factorizar números grandes.

Por ejemplo, factorizar un entero de 2048 bits (esencialmente un número con 617 dígitos) llevaría un tiempo imprácticamente largo para las computadoras clásicas.

Este panorama cambió en 1994, cuando el algoritmo de Shor demostró que un ordenador cuántico lo suficientemente potente podía factorizar estos grandes números enteros de manera eficiente.

Esta revelación fue un punto de inflexión, aunque en aquel momento construir un ordenador cuántico de estas características estaba lejos de ser posible, y sigue siéndolo hoy en día.

Se estima que un ordenador cuántico necesitaría unos 20 millones de cúbits para ejecutar el algoritmo de Shor de manera eficaz. En la actualidad, los ordenadores cuánticos más avanzados tienen unos 1.100 cúbits.

Los ordenadores cuánticos y el rompecabezas de los circuitos

Los ordenadores cuánticos funcionan mediante circuitos cuánticos, que consisten en operaciones realizadas por puertas cuánticas. Estas puertas manipulan los cúbits para realizar cálculos.

Sin embargo, la introducción del ruido cuántico complica las cosas. Más puertas conducen a más ruido, por lo que los investigadores se esfuerzan por mejorar los algoritmos para que funcionen con menos puertas.

El algoritmo de Regev de hace un año fue importante porque redujo la cantidad de puertas cuánticas necesarias, aunque aumentó la cantidad de cúbits necesarios. Esto planteó un nuevo problema: administrar la memoria de manera eficiente con un alto recuento de cúbits.

En respuesta, el equipo de investigación del MIT, dirigido por Seyoon Ragavan, desarrolló un enfoque que combina la velocidad del algoritmo de Regev con la eficiencia de memoria del de Shor.

Su método reduce la cantidad de cúbits necesarios y tiene una mejor tolerancia al ruido cuántico. Este avance es crucial para hacer que la factorización cuántica sea más práctica.

Eficiencia y corrección de errores

Los investigadores del MIT abordaron dos grandes desafíos: la necesidad de una memoria cuántica extensa y la corrección de errores. Los cálculos cuánticos a menudo implican grandes potencias, que pueden resultar engorrosas de realizar en sistemas cuánticos debido a la necesidad de operaciones reversibles.

En lugar de utilizar el método del cuadrado, que no es reversible, el equipo del MIT empleó los números de Fibonacci para simplificar el proceso, necesitando solo dos unidades de memoria cuántica.

La corrección de errores es otro obstáculo. Los circuitos cuánticos son muy sensibles a los errores y las puertas cuánticas tradicionales deben funcionar perfectamente. El equipo del MIT desarrolló una técnica para filtrar los resultados erróneos, lo que hace que el algoritmo sea más fiable y factible.

"Este trabajo resuelve los dos cuellos de botella más críticos de los algoritmos de factorización cuántica anteriores. Aunque todavía no es práctico, nos acerca a la realización de algoritmos de factorización cuántica", añade Regev.

Lo que depara el futuro

Los próximos pasos de esta investigación implican seguir mejorando el algoritmo y probarlo en circuitos cuánticos reales. La pregunta fundamental sigue siendo: ¿Este progreso nos acercará a romper el cifrado RSA?

Como señala Ragavan, "La pregunta que queda en el aire después de este trabajo es: ¿Realmente nos acerca a romper la criptografía RSA? Eso no está claro todavía; estas mejoras actualmente solo se aplican cuando los números enteros son mucho mayores que 2048 bits. ¿Podemos impulsar este algoritmo y hacerlo más factible que el de Shor incluso para números enteros de 2048 bits?"

A medida que el campo de la computación cuántica continúa evolucionando, estas innovaciones ofrecen una visión de un futuro en el que nuestra seguridad digital podría ser reformulada por la misma tecnología que pretende desafiarla.

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