Los retos de la computación cuántica

 

El investigador Juan José García Ripoll, del Instituto de Física Fundamental del CSIC, habla de los retos de la computación cuántica: seguridad informática, nuevos lenguajes de programación y el desafío de la supremacía cuántica.

El CSIC e IBM se alían para impulsar la computación cuántica

Marta García Gonzalo | CSIC

El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) e IBM han anunciado recientemente de forma conjunta la incorporación de la institución pública a la red IBM Q Network para liderar una plataforma IBM Q Hub de innovación en computación cuántica en España. El investigador Juan José García Ripoll lidera el grupo de Información Cuántica del Instituto de Física Fundamental del CSIC.

Juan José García Ripoll. / CSIC

¿Qué supone para la ciencia en el CSIC y en España el acuerdo firmado con IBM?

Para la ciencia en el CSIC supone tener acceso a unas capacidades que no están disponibles para todo el mundo. Hay muchos grupos que trabajan en colaboración con Google e IBM que están desarrollando algoritmos y hay empresas que también lo están haciendo a través del acceso a estos ordenadores cuánticos. Para nosotros es una forma de incorporarnos a este tipo de investigación para desarrollar nuevos algoritmos o desarrollar estrategias nuevas de computación cuántica: intentar corregir los errores que existen o ver cómo mejorar la calidad de los ordenadores que hay. En ese sentido es un apoyo muy importante para la línea de computación cuántica del CSIC, pero también esperamos que sirva para otras líneas de investigación, como materiales y química cuántica, entre otras, que puedan aportar su conocimiento e interactuar con los investigadores de la plataforma para buscar nuevas soluciones, nuevos algoritmos e implicaciones del ordenador cuántico.

¿Qué es la computación cuántica?

La computación cuántica consiste en usar información empleando sistemas cuánticos. Hay muchas maneras de hacerlo

La computación cuántica consiste en usar información empleando sistemas cuánticos. Hay muchas maneras de hacerlo. Una es utilizando lo que se conoce como cúbits [bits cúanticos]. Son sistemas cuánticos que tienen dos estados posibles, y como son cuánticos pueden estar en una superposición de ellos. Eso proporciona una ventaja teórica al ordenador cuántico para procesar información.

Un ordenador cuántico, al contrario que un ordenador convencional, no tiene memoria, no tiene disco duro, no sirve para las tareas del día a día, pero está especializado en aplicaciones muy concretas, como simular sistemas físicos cuánticos, simular moléculas, resolver problemas de optimización, o resolver algún otro tipo de problemas nicho como la factorización, que tienen una aplicación potencialmente muy importante.

¿El ordenador cuántico va a sustituir al clásico o se van a complementar?

Ahora estamos trabajando con ellos como si fuesen coprocesadores. Tenemos un trozo de programa clásico que envía datos a un ordenador cuántico, recoge las respuestas y entre ambos trozos de código van resolviendo un problema. Los ordenadores cuánticos que tenemos son muy pequeños y hay tareas que son más eficientes todavía en un ordenador clásico. Si tuviésemos muchos más cúbits y fuesen inmunes a error podríamos hacerlo todo en un ordenador cuántico, pero no es posible ahora. La complementación entre los dos sistemas parece la ruta más viable en el corto plazo.

Ahora lo que hay que desarrollar es el idioma que se habla dentro del ordenador, los algoritmos…

Tenemos una cadena de cúbits donde tenemos la información almacenada y lo que vamos haciendo es operaciones sobre el sistema

Claro, a mediados del siglo XX, cuando la gente programaba ordenadores enchufando cables, no había un lenguaje de programación. Se enchufaban cables y eso creaba una ruta en la que los conmutadores actuaban sobre el sistema procesando la señal. Ahora estamos haciendo algo muy parecido. Tenemos una cadena de cúbits donde tenemos la información almacenada y lo que vamos haciendo es operaciones sobre el sistema. Se parecen mucho a las operaciones que hace normalmente un ordenador convencional, pero son diferentes, son cuánticas. Pero por ahora estamos trabajando a un nivel muy básico de bits, de encender y apagar cosas. Por ahora no hay un lenguaje de alto nivel para eso.

Hay que ir aprendiendo a hablar con el ordenador cuántico…

Sí, es como si yo tuviese que hablar en binario con un ordenador. No es factible para una persona corriente e incluso para un investigador es extremadamente tedioso. Eso hace que el salto hacia este campo sea un poco complicado.

IBM y otras empresas intentan abstraer eso, intentan coger todo lo que ya se sabe que se puede hacer con esas operaciones en binario, abstraerla en pequeños programas que se pueden reutilizar, pero siguen siendo programas, no es un lenguaje de programación.

¿Qué dificultad tiene el desarrollo de la computación cuántica para que hasta ahora no se haya hecho mucho en ese campo?

Hay una dificultad principalmente experimental. No estaba claro, para empezar, que uno pudiese tener un cúbit. Eso es una investigación que tuvo lugar a finales del siglo pasado, hasta 2005 se seguían buscando candidatos a cúbits en distintos entornos: iones atrapados, átomos fríos, moléculas, circuitos superconductores, por ejemplo, que es la tecnología que ahora domina.

Ahora tenemos prototipos que son pequeños pero que demuestran que, como sabíamos teóricamente, no parece haber ninguna limitación fundamental

Un cúbit es lo más pequeño que se puede hacer para almacenar información. Si tienes muchos cúbits pues puedes construir un registro y si consigues que estos cúbits hablen entre sí puedes hacer un ordenador cuántico. Pero la mera existencia de un cúbit era algo que no se creía posible hasta hace muy poco.

Además, el hecho de que uno pueda coger muchos cúbits y crear un registro a partir de ellos, esas superposiciones arbitrarias, era algo que muchos creían imposible. Estamos hablando de sistemas que empiezan a ser macroscópicos, y como la mecánica cuántica a nivel macroscópico parece que no funciona, existía un rechazo muy importante por parte de la comunidad científica ante la posibilidad de construir un ordenador cuántico.

Ahora tenemos prototipos que son pequeños pero que demuestran que, como sabíamos teóricamente, no parece haber ninguna limitación fundamental y podemos seguir trabajando con ellos para aumentar su tamaño.

¿En qué va a cambiar nuestras vidas la computación cuántica en el presente y en el futuro?

El ordenador cuántico de IBM, el más pequeñito de 5 cúbits, está disponible online y cualquiera puede jugar con él y hacer un experimento

En el presente, creo que es un buen motivador para que la gente aprenda mecánica cuántica, aprenda qué son los sistemas cuánticos. Por ejemplo, el ordenador cuántico de IBM, el más pequeñito de 5 cúbits, está disponible online y cualquiera puede jugar con él y hacer un experimento. Es interesante tener esa tecnología disponible para la divulgación y para que en los colegios y en los institutos la gente aprenda lo que es la física cuántica. Es muy difícil de divulgar porque no hay una labor educativa en esta área, ya que se considera un tema demasiado complicado para explicarlo.

A nivel más práctico de utilidad, su transferencia a la sociedad va a ser muy lenta, sobre todo la computación cuántica, porque son problemas que por ahora sólo tienen cabida en algunas industrias y en sectores científicos.

El investigador del CSIC Juan José García Ripoll durante su ponenecia./ Yaiza González

¿Cómo afecta la llegada de la computación cuántica a la seguridad informática tal y como la conocemos ahora?

En el momento en que surge la idea del computador cuántico y Shor publica el algoritmo de factorización, muchas de las técnicas de criptografías que se utilizan hoy en día se vuelven obsoletas. Son técnicas que se basan en la dureza de determinados problemas, que son muy fáciles de hacer en una dirección pero difíciles en la otra. Por ejemplo, es fácil multiplicar dos números pero es difícil factorizarlos, pero en el momento en que hay un ordenador cuántico que nos promete que puede factorizar esos números, esas técnicas de criptografía se vuelven potencialmente inseguras. Las comunicaciones requieren nuevas técnicas criptográficas que sean seguras frente a ordenadores cuánticos o bien que se adopten técnicas de criptografía basadas en la mecánica cuántica, que son robustas frente a ataques.

Las comunicaciones requieren nuevas técnicas criptográficas que sean seguras frente a ordenadores cuánticos

¿Qué implicaba el algoritmo de Shor para que fuese una revolución en seguridad informática?

Hasta que se creó ese algoritmo los que había eran completamente académicos, no tenían utilidad. El algoritmo de Shor es el primero que toma un programa de utilidad, como es factorizar números primos, y demuestra que se puede hacer en un ordenador cuántico. Es un algoritmo muy sencillo, que aun así requiere muchas operaciones. Tiene la posibilidad de que a partir de las claves que usamos para comunicarnos con el banco, por ejemplo, se podrían extraer los factores de esas claves y se podrían desencriptar los mensajes que enviamos a través de internet. La existencia de ese algoritmo supone que podríamos factorizar números lo suficientemente grandes como para romper los mensajes que han sido encriptados y transmitidos por las redes en los últimos 10 o 15 años.

¿Se está haciendo algo ya para prevenir ese problema?

Sí, hay muchas empresas que trabajan en criptografía post cuántica pero es un problema abierto. Yo creo que todavía no hay un algoritmo que esté demostrado que sea práctico más allá de proteger claves privadas. Europa está apostando por la creación de la Quantum Communication Infrastructure, que es una coalición de países con el objetivo de desarrollar criptografía cuántica a nivel europeo.

¿Cuáles son los principales retos futuros de la computación cuántica?

Hay un reto muy inmediato, a corto plazo, que es esencial para mantener el campo vivo y en donde existe ya una carrera entre distintos grupos de investigación por conseguirlo. Se trata de demostrar que hay una supremacía cuántica o ventaja cuántica: demostrar que hay una cosa que un ordenador cuántico hace mejor que un ordenador clásico. Es un cálculo, una simulación, algo muy concreto, no tiene por qué ser una aplicación inmediata al mundo de la industria.

Otro reto, más interesante, es desarrollar nuevos algoritmos que resuelvan problemas de utilidad en los posibles campos de aplicación, como en logística,  en ciencia de materiales, en áreas como la física teórica de partículas y en otras áreas donde la computación cuántica pueda aportar algo nuevo.

Por último está el tema de entender la computación cuántica desde el punto de vista teórico; descubrir cuáles son sus límites, qué problemas podemos resolver, cuáles son los problemas que se pueden resolver en un ordenador cuántico que no se pueden resolver en un ordenador clásico, etc. Esa disyuntiva entre ambos es investigación teórica pura y hay gente del CSIC que trabaja en ese campo.

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