La irrupción de lo cuántico

Superposición

A nivel cuántico, los sistemas físicos pueden existir en distintos estados al mismo tiempo. Hasta que se observa o se mide el sistema, este ocupa todas las posiciones a la vez. Este principio fundamental de la mecánica cuántica permite que los ordenadores cuánticos aprovechen el potencial de este sistema, donde todos los resultados posibles existen a la vez en un cálculo. En el caso de la informática cuántica, los sistemas utilizados pueden ser fotones, iones atrapados, átomos o cuasipartículas.

Interferencia

Unos estados cuánticos pueden interferir en otros estados cuánticos. Esta interferencia puede materializarse en una suma constructiva o una cancelación destructiva. Para visualizar la interferencia, imaginemos dos piedras que caen a la vez en un estanque. Cuando las ondas que genera cada piedra se entrecrucen, crearán picos y valles de mayor amplitud en las ondulaciones. Estos patrones de interferencia permiten a los ordenadores cuánticos ejecutar algoritmos totalmente diferentes a los de los tradicionales.

Entrelazamiento

A nivel cuántico, los sistemas como las partículas se vinculan entre sí, influyendo cada uno en el comportamiento del otro, incluso a grandes distancias. Mediante la medición del estado de un sistema entrelazado, un ordenador cuántico puede «conocer» el estado del otro sistema. A efectos prácticos, un ordenador cuántico puede conocer, por ejemplo, el movimiento rotatorio del electrón B si mide el movimiento del electrón A, aunque el B se encuentre a miles de kilómetros de distancia.

Cúbits

En la informática tradicional, los cálculos se hacen con combinaciones de binarios denominadas «bits». De ahí radican las limitaciones de la informática tradicional: los cálculos se escriben en un lenguaje que, en un momento determinado, solo puede tener un estado de los dos posibles (0 o 1). Con la informática cuántica, los cálculos se escriben en el lenguaje del estado cuántico, que puede ser 0 o 1, o cualquier proporción de 0 o 1 en superposición. Este tipo de información computacional se conoce como «bit de ordenador cuántico» o «cúbit».

Los cúbits tienen características que permiten que la información aumente de manera exponencial dentro del sistema. Gracias a la posibilidad de que coexistan diversos estados a la vez, los cúbits pueden codificar cantidades ingentes de información, mucho más que un bit. Por este motivo, es difícil exagerar cuando se habla de la potencia de computación de la informática cuántica. La potencia computacional de una combinación de cúbits crece mucho más rápido que en la informática tradicional y, como los cúbits no ocupan espacio físico como los chips de procesamiento, es mucho más fácil alcanzar capacidades informáticas infinitas, según ciertas mediciones.

Tipos de ordenadores cuánticos

Para comprender la informática cuántica, hay que conocer los principios que determinan el comportamiento del movimiento, la posición y las relaciones cuánticos.

El hardware de informática cuántica, sea del tipo que sea, es muy diferente de las granjas de servidores relacionadas con la supercomputación. El cálculo cuántico exige poner las partículas en unas condiciones tales que permitan medirlas sin que las partículas que las rodean provoquen alteraciones o trastornos. En la mayoría de los casos, esto significa refrigerar el propio ordenador a una temperatura cercana al cero absoluto y proteger las partículas de los cúbits del ruido con capas de oro. Como los ordenadores cuánticos actuales tienen que respetar estas condiciones tan delicadas y precisas, hay que construirlos en entornos muy especializados.

En la actualidad, una de las principales formas de cifrado digital es el sistema RSA (Rivest, Shamir y Adleman), más conocido como criptografía de clave pública. El algoritmo RSA, descrito por primera vez por Rivest, Shamir y Adleman en 1977, a día de hoy, décadas después, sigue siendo un sistema de cifrado de eficacia probada con una potencia excepcional.

El cifrado RSA se basa en dos claves digitales que se combinan para formar un número muy grande que es el producto de dos números primos. Aunque los ordenadores tradicionales son capaces de multiplicar dos números conocidos para calcular un número que sea el producto de dos números primos, son muy poco eficaces a la hora de realizar la operación inversa. Les cuesta utilizar cálculos binarios por fuerza bruta para derivar dos factores (ambos números primos) de un producto. En resumen, los algoritmos RSA actuales son códigos prácticamente indescifrables porque ni siquiera los superordenadores más potentes logran calcular el valor de las claves en una cantidad de tiempo razonable. El superordenador más rápido que existe tardaría unos 300 billones de años en descifrar una clave con el cifrado RSA actual de 2048 bits.

Aquí es donde entra en juego la amenaza de la informática cuántica. Como los ordenadores cuánticos son capaces de analizar todas las probabilidades de una vez sin necesidad de trazar una ruta lineal, pueden «saltarse» el método propio de los ordenadores tradicionales, que siguen las rutas de una en una, y llegar a un cálculo preciso en una cantidad de tiempo razonable. Los ordenadores cuánticos están perfectamente capacitados para dividir números muy grandes en los factores primos correctos y, de este modo, descifrar la clave RSA. Según las previsiones, en un futuro cercano los ordenadores cuánticos lograrán descifrar la criptografía RSA en cuestión de meses, mientras que los más avanzados tal vez sean capaces de hacerlo en horas o incluso minutos.

Informática cuántica

Es posible que el término relacionado con la informática cuántica que se utilice mal con más frecuencia sea «informática poscuántica», abreviada con el acrónimo «PQC». La confusión se debe a que comparte el acrónimo utilizado para «criptografía poscuántica». Sin embargo, la «informática poscuántica» no existe en el ámbito de la ciencia de la informática cuántica. El término «ordenador cuántico» se refiere a la máquina, mientras que «informática cuántica» alude al campo y al proceso. Incluso mucho después de que existan máquinas avanzadas de gran utilidad, los ordenadores seguirán siendo cuánticos, no poscuánticos.

Criptografía cuántica

La criptografía cuántica también se basa en la mecánica cuántica, como la criptografía poscuántica, pero no utiliza la misma tecnología criptográfica que la PQC. En la criptografía cuántica, se utiliza el carácter fundamental de imprevisibilidad para cifrar y descifrar los datos, y la información se cifra directamente en los propios cúbits. En la actualidad, la versión más conocida de cifrado cuántico utiliza las propiedades de los cúbits para proteger los datos de un modo que generaría errores en los cúbits si alguien tratase de descifrar la información sin permiso. Este tipo de cifrado cuántico funciona de forma similar a una alarma instalada en una puerta o ventana. Cuando se produce un acceso no autorizado, se activa la alarma.

Criptografía poscuántica (PQC)

La criptografía poscuántica funciona con ecuaciones matemáticas, al igual que el cifrado tradicional. La diferencia está en el nivel de complejidad de dichas ecuaciones. En la PQC, se aprovechan las propiedades cuánticas para crear ecuaciones tan difíciles de resolver que ni siquiera los ordenadores cuánticos son capaces de «saltar» a la solución correcta. Una de las ventajas de la PQC es que se basa en ecuaciones prácticamente irresolubles. Como comparte la estructura básica del cifrado tradicional actual, se puede implementar con métodos similares a los de dicho cifrado y permite proteger gran parte de los sistemas de hoy en día.