Poderosos ordenadores cuánticos pueden romper el cifrado y resolver problemas que los ordenadores clásicos no pueden.
En 2019, Google logró este objetivo por primera vez utilizando un dispositivo con 54 qubits (el equivalente cuántico de un bit informático convencional) para realizar un cálculo en gran medida inútil llamado cálculo de muestreo aleatorio. En 2021, un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China resolvió un problema de muestreo más complejo utilizando 56 qubits y luego lo impulsó aún más utilizando 60 qubits.
Pero Bob Sutor de IBM dijo que este juego de saltos es un logro académico que aún no ha tenido un impacto real. Sólo cuando las computadoras cuánticas sean significativamente mejores que las clásicas y puedan resolver diferentes problemas podrán lograr una verdadera hegemonía, en lugar de los cálculos de muestreo aleatorio que se utilizan actualmente como punto de referencia.
IBM, dijo, está trabajando arduamente para lograr una "ventaja comercial cuántica", donde las computadoras cuánticas puedan resolver problemas verdaderamente útiles para investigadores o empresas más rápido que las computadoras tradicionales. Sutor dijo que esto aún no ha llegado ni llegará en el nuevo año, pero se puede esperar dentro de diez años.
Nir Minerbi, cofundador de la empresa de software cuántico Classiq, es más optimista. Él cree que el nuevo año revelará la supremacía cuántica en un tema útil.
¿Recuerdas cuando salió el primer coche eléctrico? Son útiles para ir al supermercado, pero pueden no ser adecuados para conducir 300 kilómetros para llevar a los niños a la universidad. Al igual que los coches eléctricos, las computadoras cuánticas mejorarán con el tiempo, lo que las hará útiles en una gama más amplia de aplicaciones.
Existen muchos obstáculos para resolver problemas prácticos. La primera es que el dispositivo necesitaría miles de qubits para hacer esto, y esos qubits tendrían que ser más estables y confiables que los disponibles actualmente. Es probable que los investigadores necesiten combinarlos para que funcionen como un único "qubit lógico". Esto ayuda a mejorar la fidelidad, pero socava las mejoras en escala: unos pocos miles de qubits lógicos pueden requerir millones de qubits físicos.
Con el tiempo, las computadoras cuánticas serán mejores y más útiles en una variedad de aplicaciones.
Los investigadores también están trabajando en la corrección de errores cuánticos para reparar los fallos cuando se producen. En julio de 2021, Google anunció que su procesador Sycamore podía detectar y corregir errores en sus qubits superconductores, pero el hardware adicional necesario para hacerlo introdujo más errores de los que solucionó. Posteriormente, investigadores del Joint Quantum Institute de Maryland lograron superar este umbral crítico de equilibrio con sus qubits de iones atrapados.
Aun así, aún es pronto. Sería "bastante impactante" si una computadora cuántica universal resolviera un problema útil en el nuevo año. Proteger un único qubit codificado en cualquier momento, y mucho menos calcular miles de qubits codificados.
¿Qué tamaño debe tener una computadora cuántica para romper el cifrado de Bitcoin o imitar moléculas?
Se espera que las computadoras cuánticas sean disruptivas y puedan afectar a muchos sectores industriales. Entonces, investigadores del Reino Unido y los Países Bajos decidieron explorar dos problemas cuánticos completamente diferentes: descifrar el cifrado de Bitcoin, una moneda digital, y simular las moléculas responsables de la fijación biológica del nitrógeno. Los investigadores describen una herramienta que crearon para determinar qué tan grande se necesitaría una computadora cuántica para resolver tales problemas y cuánto tiempo llevaría.
Gran parte del trabajo existente en esta área se centra en plataformas de hardware específicas y dispositivos superconductores, en los que IBM y Google están trabajando. Las diferentes plataformas de hardware variarán mucho en las especificaciones clave de hardware, como la velocidad de operación del qubit y la calidad del control. Muchos de los casos de uso de ventajas cuánticas más prometedores requerirán computadoras cuánticas con corrección de errores.
La corrección de errores puede ejecutar algoritmos más largos al compensar los errores inherentes en las computadoras cuánticas, pero esto tiene el costo de más qubits físicos. Extraer nitrógeno del aire para producir amoníaco para su uso como fertilizante requiere mucha energía, y mejorar el proceso podría impactar la escasez de alimentos en el mundo y la crisis climática. Las simulaciones de las moléculas relevantes superan actualmente las capacidades incluso de las supercomputadoras más rápidas del mundo, pero deberían estar al alcance de las computadoras cuánticas de próxima generación.
Nuestra herramienta calcula automáticamente la sobrecarga de corrección de errores en función de las especificaciones clave del hardware. Para hacer que los algoritmos cuánticos se ejecuten más rápido, podemos realizar más operaciones en paralelo agregando más qubits físicos. Introducimos qubits adicionales según sea necesario para lograr el tiempo de ejecución requerido, que depende en gran medida de qué tan rápido puede ejecutarse el hardware físico. La mayoría de las plataformas de hardware de computación cuántica son limitadas porque sólo los qubits adyacentes pueden interactuar directamente. En otras plataformas, como algunos diseños de iones atrapados, los qubits no están en posiciones fijas sino que pueden moverse físicamente, lo que significa que cada qubit puede interactuar directamente con una gran cantidad de otros qubits.
Exploramos cómo aprovechar al máximo esta capacidad de conectar qubits distantes para resolver problemas en menos tiempo con menos qubits. Debemos continuar adaptando las estrategias de corrección de errores para aprovechar el hardware subyacente, lo que puede permitirnos resolver problemas de gran alcance utilizando computadoras cuánticas más pequeñas de lo que se suponía anteriormente.
Los ordenadores cuánticos son más potentes que los clásicos a la hora de romper muchas técnicas de cifrado. La mayoría de los dispositivos de comunicación seguros del mundo utilizan cifrado RSA. Tanto el cifrado RSA como el Bitcoin (algoritmo de firma digital de curva elíptica) algún día serán vulnerables a los ataques de la computación cuántica, pero hoy en día ni siquiera las supercomputadoras más grandes representarán una amenaza seria. Los investigadores estiman que una computadora cuántica necesitaría ser lo suficientemente grande como para romper el cifrado de la red Bitcoin en el corto tiempo en que realmente representaría una amenaza, antes de que se anuncie y se integre en la cadena de bloques. Cuanto mayor sea la tarifa de transacción, más corta será la ventana, pero puede variar desde unos minutos hasta unas pocas horas.
Los ordenadores cuánticos más avanzados tienen sólo entre 50 y 100 qubits. "Nuestra estimación de que necesitaríamos entre 30 y 300 millones de qubits físicos sugiere que Bitcoin actualmente debería considerarse a salvo de ataques cuánticos, pero los dispositivos de este tamaño generalmente se consideran alcanzables con avances futuros. Los requisitos pueden reducirse aún más. La red Bitcoin podría reducirse aún más". "hard-forked" con criptografía cuántica segura, pero esto podría provocar problemas de escalado de la red debido a mayores requisitos de memoria.
Los investigadores destacaron los algoritmos cuánticos y el ritmo al que están mejorando los protocolos de corrección de errores, estimamos hace cuatro años. que un dispositivo de trampa de iones requeriría 100 millones de qubits físicos para romper el cifrado RSA, lo que requeriría un dispositivo con un área de 100 x 100 metros cuadrados. Ahora, con mejoras generales, esto se reducirá significativamente a solo. 2,5 x 2,5 metros cuadrados Las computadoras cuánticas de corrección de errores a gran escala deberían poder resolver problemas importantes que no pueden resolver las computadoras clásicas. Las moléculas simuladas se pueden aplicar al desarrollo de eficiencia energética, baterías, catalizadores mejorados, nuevos materiales y Existen nuevas drogas. Existen aplicaciones en todos los ámbitos, incluidas las finanzas, el análisis de big data, el flujo de fluidos y la optimización logística del diseño de aeronaves.
¿Qué es un apocalipsis cuántico?
Imagínese un secreto cifrado. El archivo se resquebraja repentinamente. Un mundo que se conoce como el "apocalipsis cuántico". En resumen, las computadoras cuánticas funcionan de manera completamente diferente a las desarrolladas en el siglo pasado y, en el futuro, podrían ser muchas, muchas veces más rápidas que las máquinas actuales. un problema extremadamente complejo y que requiere mucho tiempo, como tratar de descifrar datos, donde hay miles de millones de permutaciones que a una computadora normal le tomaría muchos años, si es que alguna, descifrar. Pero, en teoría, las futuras computadoras cuánticas podrían hacerlo en segundos. Las computadoras podrían resolver una variedad de problemas para la humanidad. El gobierno del Reino Unido está invirtiendo en el Centro Nacional de Computación Cuántica en Harwell, Oxfordshire, con la esperanza de revolucionar la investigación en esta área.
Un nuevo lenguaje para la computación cuántica<. /p>
Twist es un lenguaje de programación desarrollado en el MIT que puede describir y verificar qué datos están entrelazados para evitar errores en programas cuánticos.
Cristales de tiempo, hornos microondas, diamantes, ¿cuáles son las similitudes entre estas tres cosas diferentes? Computación cuántica. A diferencia de las computadoras convencionales que usan bits, las computadoras cuánticas usan qubits para codificar información como 0 o 1, o ambos. Combinadas con el poder de la física cuántica, estas máquinas del tamaño de un refrigerador pueden procesar cantidades masivas de información, pero están lejos de ser perfectas. Al igual que nuestras computadoras normales, se requiere el lenguaje de programación adecuado para calcular correctamente en una computadora cuántica.
Para programar una computadora cuántica necesitamos saber algo llamado entrelazamiento, que es una computadora para varios qubits que se pueden convertir en energía poderosa. Cuando dos qubits están entrelazados, una acción en uno de ellos puede cambiar el valor del otro, aunque estén físicamente separados, lo que llevó a la descripción de Einstein de "acción fantasma a larga distancia". Pero esta eficacia es también una fuente de debilidad. Al programar, descartar un qubit sin prestar atención a su entrelazamiento con otro qubit puede destruir los datos almacenados en el otro qubit, poniendo así en peligro la corrección del programa.
Los científicos del Departamento de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT se propusieron resolver este misterio creando su propio lenguaje de programación de computación cuántica, Twist. Twist puede describir y verificar qué datos están entrelazados en un programa cuántico en un lenguaje que los programadores clásicos puedan entender. Este lenguaje utiliza un concepto llamado pureza, que no impone ningún enredo, lo que da como resultado programas más intuitivos e idealmente menos errores. Por ejemplo, los programadores pueden usar Twist para indicar que los datos temporales generados por el programa no se enredarán con las respuestas del programa como basura, por lo que pueden descartarse de manera segura.
Si bien el campo emergente puede hacer que la gente se sienta un poco llamativa y futurista, con imágenes de máquinas metálicas gigantes que nos vienen a la mente, las computadoras cuánticas tienen el potencial de permitir avances computacionales en tareas que no pueden resolverse de manera clásica, como criptografía y protocolos de comunicación, búsqueda y física y química computacional. Uno de los principales desafíos de la ciencia computacional es abordar la complejidad del problema y la cantidad de cálculo requerido. Las computadoras digitales clásicas requieren una gran cantidad de bits exponenciales para manejar este tipo de simulación, mientras que una computadora cuántica podría hacerlo usando una cantidad muy pequeña de qubits, con el programa adecuado. "Nuestro lenguaje Twist permite a los desarrolladores escribir programas cuánticos más seguros al indicar explícitamente cuándo no enredarse con otro qubit", dijo Charles Yuan, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática en el MIT, primer autor de un nuevo artículo sobre. Girar. "Debido a que comprender los programas cuánticos requiere comprender el entrelazamiento, esperamos que Twist allane el camino para el desarrollo de lenguajes que faciliten a los programadores abordar los desafíos únicos de la computación cuántica".
Desentrañar el entrelazamiento cuántico
Imagínate una caja de madera con mil cables saliendo de un lado. Puede sacar cualquier cable de la caja o empujarlo hasta el fondo.
Después de hacer esto por un tiempo, el cable desarrolla un patrón de bits (0 y 1) dependiendo de si son internos o externos. Esta caja representa la memoria de un ordenador clásico. El programa de computadora es una serie de instrucciones sobre cuándo y cómo tirar del cable.
Imagínate ahora una segunda caja con la misma apariencia. Esta vez, cuando tiras de un cable y lo ves emerger, varios otros cables regresan al interior. Aparentemente, dentro de la caja, estos cables están enredados de alguna manera.
El segundo cuadro es una analogía de una computadora cuántica. Para comprender la importancia de un programa cuántico, debemos comprender el entrelazamiento de sus datos. Pero detectar el enredo no es sencillo. No puedes ver la caja de madera, lo mejor que puedes hacer es intentar tirar de los cables y razonar con cuidado cuáles están envueltos. De manera similar, los programadores cuánticos de hoy también tienen que razonar y luchar manualmente. Este es un diseño Twist que ayuda a masajear algunas áreas que se cruzan.
Los científicos diseñaron Twist para que fuera lo suficientemente expresivo como para programar algoritmos cuánticos conocidos e identificar errores en su implementación. Para evaluar el diseño de Twist, modificaron el programa para introducir errores que serían relativamente indetectables para los programadores humanos y demostraron que Twist podía identificar automáticamente los errores y rechazar el programa.
También midieron cómo se ejecutaba realmente el programa en tiempo de ejecución, con una sobrecarga de menos de 4 en comparación con las técnicas de programación cuántica existentes.
Para aquellos preocupados por la reputación "sucia" de la tecnología cuántica a la hora de romper sistemas de cifrado, Yuan dijo que no estaba claro hasta qué punto las computadoras cuánticas podrían cumplir sus promesas de rendimiento en la práctica. "Se están realizando muchas investigaciones en criptografía poscuántica, y existe porque ni siquiera la computación cuántica es una panacea. Hasta ahora, hay un conjunto muy específico de aplicaciones en las que la gente ha desarrollado computadoras cuánticas que pueden superar a las computadoras clásicas. Algoritmos y técnicas”.
El siguiente paso importante es crear un lenguaje de programación cuántica de nivel superior utilizando Twist. La mayoría de los lenguajes de programación cuántica hoy en día todavía se parecen a los lenguajes ensambladores, ya que encadenan operaciones de bajo nivel y no se centran en cosas como tipos de datos y funciones, ni en cosas típicas de la ingeniería de software clásica.
Las computadoras cuánticas son propensas a errores y difíciles de programar. Twist da un gran paso hacia la simplificación de la programación cuántica al introducir e inferir la "pureza" del código del programa, asegurando que los qubits en código puro no puedan ser alterados por bits que no están presentes en el código. Este trabajo fue apoyado en parte por el Laboratorio de Inteligencia Artificial Watson del MIT-IBM, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval.
Notas. Computadora cuántica
Una computadora cuántica es un dispositivo informático que utiliza directamente fenómenos de la mecánica cuántica (como la superposición y el entrelazamiento) para calcular datos. El principio básico detrás de la computación cuántica es que las propiedades cuánticas se pueden utilizar para representar datos y realizar operaciones con ellos.
Aunque la computación cuántica aún está en su infancia, se han llevado a cabo una serie de experimentos en los que las operaciones de computación cuántica se realizaron en números extremadamente pequeños de qubits (números binarios cuánticos). La investigación práctica y teórica continúa, y muchas agencias de financiación gubernamentales y militares apoyan la investigación en computación cuántica para desarrollar computadoras cuánticas con fines de seguridad civil y nacional, como el criptoanálisis.
Si se puede construir una computadora cuántica a gran escala, podrá resolver algunos problemas más rápido que cualquiera de nuestras computadoras clásicas actuales (como el algoritmo de Shor). Las computadoras cuánticas son diferentes de las computadoras de ADN y de las computadoras tradicionales basadas en transistores. Algunas arquitecturas informáticas (como las computadoras ópticas) pueden utilizar la superposición de ondas electromagnéticas clásicas. Sin algunos recursos mecánicos cuánticos específicos, como el entrelazamiento, las conjeturas no pueden superar la ventaja exponencial de las computadoras clásicas.