Computadora cuántica: innovación tecnológica no libre de amenazas

Fred Guterl
·18  min de lectura

Estados Unidos y China gastan miles de millones de dólares para desarrollar una tecnología nueva y poderosa que podría transformar la computación, y al mundo. La gran pregunta: ¿quién la obtendrá primero?

EN 1994, cuando las computadoras cuánticas existían a lo más como tiza en un pizarrón, el matemático Peter Shor inventó la que pronto podría ser su máxima aplicación.

Shor enfocó sus acciones en un cálculo llamado “factorización”, algo que normalmente a nadie le importaría aparte de un matemático, salvo que resultaba ser un talón de Aquiles de internet. Si alguien llegara a inventar una computadora que pudiera llevar a cabo esta operación con rapidez, los mensajes ahora ocultos de los hackers, terroristas, adversarios militares, gobiernos y competidores serían tan fáciles de leer como una novela de Stephen King.

Por supuesto, Shor no tenía dicha computadora. Él escribía un algoritmo, o programa, para una máquina hipotética que algún día pudiera explotar las propiedades extrañas de los átomos y las partículas subatómicas, como las describe la teoría de la mecánica cuántica, para llevar a cabo cálculos que las computadoras convencionales solo podrían resolver en años, tal vez cientos o millones o más tiempo del que se espera que dure el universo. En cualquier caso, demasiado tiempo para ser útil en abrir a la fuerza un correo electrónico. El algoritmo de Shor era un ejercicio teórico. “La cuestión de si usar la mecánica cuántica en una computadora te permite obtener más poder computacional —escribió en su artículo de 1994— todavía no se ha respondido satisfactoriamente”.
Las respuestas ahora están llegando.

El año pasado, un equipo de Google logró lo que llamó una “supremacía cuántica”, cuando su computadora cuántica llevó a cabo un cálculo más rápido de lo que podría hacerlo una computadora convencional. “Nuestra máquina realizó el cómputo buscado en 200 segundos, y por las mediciones de nuestro experimento, determinamos que le tomaría a la supercomputadora más rápida del mundo 10,000 años para producir un resultado similar”, escribieron John Martinis y Sergio Boixo, de Google, en una entrada de blog. Y previamente este mes, un equipo bajo la dirección de Pan Jianwei, en la Universidad de Ciencia y Tecnología (UCTC) en China, en la revista Science, dijo que su computadora cuántica llevó a cabo exitosamente un cálculo 100 billones de veces más rápido de lo que podría hacerlo una computadora convencional, rebasando el logro de Google por un factor de 10,000 millones, según la agencia noticiosa estatal Xinhua.

Shor escribió un algoritmo que podría usar una computadora cuántica para descifrar los códigos encriptados de internet. En la imagen, una computadora cuántica en el laboratorio de Google. Foto: Hannah Benet/Google

Estos dos anuncios fueron meras demostraciones, usando prototipos de máquinas en el laboratorio para realizar cálculos que no son útiles en ningún sentido práctico. Nadie está listo para poner en práctica el algoritmo de Shor. Pero se invierten decenas de miles de millones de dólares en una acción a gran escala para hacerlo posible. Docenas de equipos de ingenieros, de compañías grandes como Google, IBM y Amazon hasta universidades y compañías incipientes, compiten para construir una computadora cuántica operativa a escala total. China supuestamente gasta 10,000 millones de dólares en la acción y en construir un centro dedicado a la computación cuántica e inteligencia artificial; el gobierno de Estados Unidos ha comprometido 1,000 millones de dólares, y los presupuestos corporativos y militares posiblemente contengan más millones; por ejemplo, se piensa que Google e IBM han gastado más de 100 millones de dólares.

Estos grupos no buscan únicamente computadoras más rápidas, sino un enfoque diferente en lo fundamental de la computación, lo cual abriría nuevas perspectivas para la tecnología y sociedad. Las computadoras cuánticas podrían ser tan transformadoras como el microchip, el cual dio lugar a la era de internet y todos los efectos relacionados con la economía y la política. Por ejemplo, las enormes posibilidades computacionales de la tecnología cuántica le pondrían turbo a la inteligencia artificial de formas que son difíciles de entender. No es un accidente que el nuevo centro de tecnología de China combinará los dos campos.

La ambición de China con la tecnología cuántica ha provocado una especie de momento Sputnik en Estados Unidos, casi tan amenazante como el satélite ruso en 1957 que inició la carrera hacia la luna. No fue hace mucho que los ingenieros chinos eran percibidos como copiones. Esto ya no es así. China lanzó un satélite en 2016 que demostró el uso de la criptografía cuántica; no es computación en sí, sino que implica los mismos tipos de tecnología avanzada.

La preocupación a largo plazo es que Estados Unidos pierda su ventaja tecnológica ante China. Aun cuando China abraza ambiciosos programas de tecnología, Estados Unidos en años recientes se ha sumido en un modo reactivo, con presupuestos cada vez menores para las ciencias. En la década de 1960, el gobierno federal conformaba casi dos terceras partes del gasto en investigación y desarrollo en Estados Unidos, y el resto provenía principalmente del sector privado. Pero su participación ha disminuido, dice Paul Scharre, director de tecnología y seguridad nacional del Centro por una Nueva Seguridad Americana (CNAS) y autor de Army of None: Autonomous Weapons and the Future of War. “Básicamente, el gobierno federal ha quitado el pie del acelerador en términos de innovación en Estados Unidos”, comenta. “Mientras nosotros hacemos esto, otras naciones, como China, se ponen al día”.

Lo que tiende a enfocar la mente son las consecuencias para la seguridad al corto plazo. Cuando las computadoras cuánticas empiecen a funcionar, ¿qué les sucederá a todos nuestros secretos? ¿Nos despertaremos un día y descubriremos que China ha leído nuestro correo electrónico? El algoritmo de Shor, otrora una conjetura fantástica, empieza a verse como una amenaza. La pregunta es: ¿la amenaza es inminente?

EL SIGNIFICADO DE LA “SUPREMACÍA CUÁNTICA”

John Martinis se involucró con las computadoras cuánticas en la década de 1980, antes de que la palabra ‘cúbit’ se inventara”, dice.
Un cúbit es la unidad fundamental de información en una computadora cuántica, análogo a un “bit” de las computadoras convencionales, pero con algunas diferencias importantes. Un bit puede ser un cero o un uno; un cúbit puede ser ambos números a la vez, y todo lo demás entre ellos, una propiedad conocida como superposición. Un bit existe como una cantidad diminuta de carga eléctrica en un chip de silicio, que las computadoras clásicas mezclan como fichas de damas para llevar a cabo operaciones matemáticas; un cúbit es un solo átomo o partícula subatómica, que almacena información de una forma estadística peculiar según las leyes de la mecánica cuántica, que están totalmente más allá de nuestra experiencia en el mundo macroscópico. Un bit es una unidad discreta de información; un cúbit es parte de un colectivo, “entrelazado” con otros cúbits por un fenómeno que Albert Einstein describió como “espeluznante acción a distancia”.

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En su trabajo anterior en la Universidad de California, en Santa Bárbara, Martinis empezó a hacerse preguntas básicas sobre cómo obtener información de cosas tan pequeñas como átomos y fotones, o partículas de luz. Pero lidiar con átomos y partículas únicas lleva la ingeniería a niveles extremos de precisión, como pronto lo descubrió Martinis. ¿Cómo proteges estas partículas diminutas, pero también les permites que interaccionen con otras de manera tal que la computadora pueda llevar a cabo un cálculo útil? En otras palabras, ¿cómo aprovechas las cualidades de la superposición y el entrelazamiento para llevar a cabo una tarea, como factorizar un numero grande con el propósito de leer un mensaje encriptado? “Tienes que aislar los cúbits para mantenerlos coherentes”, explica. “Pero si los aíslas demasiado bien, no pueden hablar con otros cúbits para hacer el cómputo”.

Martinis pasó años tratando de lograr este equilibrio, experimentando con materiales y configuraciones diferentes, luego pasó a la tarea de hacer que los cúbits trabajaran juntos en una computadora. Finalmente, halló su camino a Google, donde empezó a trabajar en lo que llegó a ser Sycamore, la computadora cuántica usada en la demostración del año pasado. Los 54 cúbits de Sycamore son mantenidos en una cámara en el laboratorio de Google en Goleta, California, enfriados a apenas un grado arriba del cero absoluto, la temperatura más baja posible, alrededor de 272 grados Celsius bajo cero. La máquina es “programada” mediante irradiar microondas débiles en la cámara, las cuales estimulan los cúbits.

Un gran problema con el que batallan Martinis y los demás ingenieros cuánticos es cómo mantener los cúbits intactos el tiempo suficiente para llevar a cabo un cálculo. La superposición —la capacidad de los cúbits de ser un cero y un uno al mismo tiempo— es una parte esencial de la operación de la máquina. Sin embargo, la más mínima perturbación puede provocar que un cúbit colapse en un uno o un cero, arrastrando consigo a toda la delicada constelación de cúbits entrelazados. Incluso tras enfriarlos a temperaturas extremas, los cúbits tienen una tendencia molesta de disiparse con tal rapidez que muchos cálculos resultan en errores. Hacer una computadora cuántica de por sí es difícil; hacer una que no esté plagada de errores hasta ahora ha estado fuera del alcance de los ingenieros.

John Martinis comenzó a hacer cúbits en la década de 1980. En Google desarrolló la Sycamore, la computadora cuántica usada en la demostración del año pasado. CIPhotos/Getty

“A uno le gustaría que los cúbits conservaran su superposición de un cero y un uno y conserven estados entrelazados incluso cuando haces operaciones en ellos”, dice Scott Aaronson, un profesor de ciencias computacionales en la Universidad de Texas en Austin, quien colabora con Google y otros ingenieros cuánticos. “El problema es que son muy frágiles inherentemente. Tan pronto como la información se filtra en el ambiente con respecto a si un cúbit es un cero o un uno, la cosa entera se colapsa. Este ‘ruido’ es el problema fundamental para construir una computadora cuántica. Esto es lo que la dificulta”.

Hallar una manera de poner a prueba las máquinas de Google y de la UCTC fue un problema difícil en sí mismo. Hacerlo requería resolver un dilema: si le pides a una computadora cuántica que resuelva un problema que ninguna computadora convencional puede lograr en una cantidad razonable de tiempo, ¿cómo compruebas los resultados? La manera más sencilla sería usar el algoritmo de Shor en un mensaje encriptado; si puedes leer el mensaje, sabes que tu computadora funciona. Pero el algoritmo de Shor era demasiado difícil para que las primeras computadoras cuánticas pudieran manejarlo.

En 2011, Aaronson y sus estudiantes de posgrado tuvieron la idea de la “muestra de bosones”, la cual implica predecir cómo se comportarán las partículas como los fotones cuando rebotan alrededor de los obstáculos. Es un problema arduo para las computadoras clásicas porque implica demasiados cálculos sobre mecánica cuántica; pero dado que las computadoras cuánticas viven en ese reino, el cálculo debería ser pan comido. Aaronson no solo ideó el experimento sino también, de manera crucial, una manera de comprobar los resultados estadísticamente sin tener que resolver los problemas con una computadora clásica, lo cual, por supuesto, según la definición de la “supremacía cuántica”, sería imposible.

Tanto Google como la UCTC terminaron adaptando el enfoque de Aaronson a sus máquinas específicas. De hecho, Pan Jianwei y sus colegas en la UCTC construyeron Jiuzhang literalmente como una máquina para la muestra de bosones, usando fotones, un tipo de bosón, como cúbits. Enviaron los fotones, en la forma de rayos láser, saltando y rebotando a través de un tramo de espejos y otros obstáculos. La configuración no estuvo pensada para ser una computadora de uso general que pudiera programarse para llevar a cabo tareas diferentes, sino para hacer solo una cosa: demostrar que una máquina hecha de fotones podía realizar un cálculo de cómo se comportan los fotones cuando se mueven a través de un tramo de obstáculos.

Por supuesto, el experimento de la UCTC logró más de lo que expresa esta descripción tautológica. Demostró que los fotones podían ser controlados y usados para producir un resultado computacional. Aun así, los ingenieros han criticado a la Jiuzhang con base en que fue construida para un propósito tan estrecho. También trataron de mostrar que una computadora clásica podría lograr el mismo resultado en una cantidad de tiempo razonable, una tarea conocida en la jerga como “suplantación”.

“La situación evoluciona con rapidez, día con día, conforme la gente trata de tumbar el nuevo resultado mediante mostrar cómo suplantar los resultados de la manera clásica”, dijo Aaronson en un correo electrónico. “Todavía no sabemos qué tan bien van a tener éxito. Los debates con respecto a si, y en qué sentido, el grupo de la UCTC logró una supremacía cuántica posiblemente continúen por mucho tiempo”.

UNA COMPUTADORA LISIADA

La prueba de la Sycamore de Google también llamó la atención de la prensa, y también recibió algunas críticas en los círculos técnicos. Ingenieros de IBM, que trabajan en su propia computadora cuántica, insistieron en que es posible en teoría suplantar a Sycamore con una supercomputadora, dado que estuviera equipada con cantidades tremendas de memoria. “Ellos dijeron: ‘Solo nos tomó dos segundos, pero a una supercomputadora lisiada le tomaría 10,000 años’” comentó Robert Sutor, un matemático y vicepresidente de IBM Research. “¿Por qué la lisian? ¿Por qué eliminarías parte de su funcionalidad y luego dirías cuán maravilloso eres?”.

Muchos ingenieros ven la demostración de la supremacía cuántica más como escalones que como desarrollos importantes por derecho propio. Tanto la Sycamore como la Jiuzhang fueron logros impresionantes; ambas están muy lejos de hacer algo remotamente útil, pese a las afirmaciones de “supremacía”. “No pienso que la supremacía cuántica sea enteramente un hecho consumado”, opina Aaronson. “Me gustaría ver la supremacía cuántica en algún problema en el cual pudiéramos reconocer fácilmente la respuesta”.

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Para que una computadora cuántica sea capaz de hacer cosas interesantes, los ingenieros necesitarán descifrar cómo corregir los errores y aumentar las máquinas a miles de cúbits, y quizás millones. Las primeras aplicaciones prácticas posiblemente sean simular cosas que impliquen la mecánica cuántica, como la química, lo cual podría tener un impacto en el desarrollo de medicinas.

“El algoritmo de Shor, descifrar códigos criptográficos, es una de esas cosas que sucederán en la evolución de las computadoras cuánticas”, dice Aaronson. “Pero para cuando puedas hacer eso, puedes hacer prácticamente cualquier cómputo cuántico. Me sorprendería mucho si fuera en la próxima década”.

Entonces, ¿por qué preocuparse?

Después de la demostración de la Sycamore en 2019, Martinis y Google se separaron. “Era hora de marcharme”, comenta él. En el otoño, Martinis se unió a Michelle Simmons, una vieja conocida que había formado Silicon Quantum Computing, una compañía incipiente en Sídney, Australia. La compañía de Simmons hace cúbits con fósforo y silicio, que tienden a ser más estables que otros materiales, dice ella, y ello significa que tal vez no requieran de mucha corrección de errores. También trabajan a temperaturas más altas, sin el equipo criogénico que requieren las máquinas de IBM y Google.

“Trabajar en Google fue grandioso porque teníamos los recursos para resolver problemas arduos”, comenta Martinis. “Por otra parte, lo grandioso justo ahora es que hay un ecosistema donde tienes las compañías, las incipientes y los grupos universitarios donde la gente puede resolver problemas. Pienso que eso es mejor al final”.

No obstante, Martinis no se hace ilusiones en que se abran mil flores cuánticas. El terreno está abarrotado ahora, pero ello no durará por siempre. “Todas estas personas tienen mucho optimismo, pero cuando pasen a hacer la ingeniería de sistemas van a descubrir que sus ideas tal vez no funcionen tan bien”. De la docena o más de proyectos que hay en curso ahora, opina Martinis, “es una cuestión de si uno o dos funcionarán. Construir una computadora cuántica en realidad es difícil, más difícil de lo que piensas”.

Los recursos requeridos para sacar adelante una computadora cuántica parecerían favorecer a los Google e IBM del mundo, y a China. Hartmut Neven, empleado de Google y director de su acción de computación cuántica, dijo en una reunión del Centro de Estudios Estratégicos e Internacionales previamente este año que construir una computadora cuántica que corrija errores costaría más de 3,000 millones de dólares.

Google actualmente está comprometida con hacer avanzar el proyecto y tiene el dinero para hacerlo, pero un cambio en las prioridades corporativas podría poner en riesgo una acción a tan largo plazo. “Lo que en realidad aseguraría el liderazgo estadounidense —comentó Neven— es que el gobierno usara su enorme poder adquisitivo para recompensar a los primeros que asumieron el riesgo”.

Sin importar cuáles sean los defectos que pueda tener Jiuzhang, esta claramente demostró que China es una innovadora formidable. Neven hizo una advertencia desagradable sobre el peligro de que Estados Unidos sea vencido en la carrera para desarrollar una computadora cuántica.

“De hecho, estamos más preocupados por un competidor aún desconocido salido de China que nos derrotará en la carrera por una máquina que corrija errores, porque China tiene la capacidad de destinar recursos enormes en una dirección que consideren estratégicamente importante”.

Aun cuando las ambiciones de China han crecido, las metas tecnológicas de Estados Unidos parecen haber disminuido. “Hay una mentalidad de complacencia”, dice Elsa Kania, experta en China del CNAS. “Hay una sensación y un compromiso ideológico con la noción de que el mercado puede hacerlo todo, que no hay un papel para el gobierno, y una respuesta negativa contra las inversiones en ciencia y educación. Incluso si China no hiciera algo en ciencias cuánticas, deberíamos invertir mucho en la investigación básica, tratando de financiar algunos de estos programas nuevos, y tratar de construir el canal del talento”.

Es difícil decir cuánto gasta Estados Unidos en la investigación de computación cuántica. Aun cuando la participación del gobierno en el gasto total de investigación y desarrollo es más bajo de lo que solía ser, “cuando incluyes las compañías privadas estadounidenses, todavía superamos a casi todo el resto del mundo”, dice Todd Harrison, director de análisis del presupuesto de defensa para el Centro de Estudios Estratégicos e Internacionales.

Las ambiciones de China han crecido, pero Estados Unidos se ha vuelto complaciente. China lanzó el primer satélite de comunicación cuántica en 2016. Foto: Xinhua/Jin Liwang/Getty

La investigación corporativa no incluye mucha investigación y desarrollo básicos, lo cual por lo general da los beneficios más grandes a largo plazo. Los militares, que en el pasado han iniciado tecnologías que han cambiado al mundo como internet, podrían terminar teniendo un papel crucial en la computación cuántica. El financiamiento para investigación y desarrollo militar no confidencial por lo general se ha mantenido constante, según Harrison. El Pentágono posiblemente también financie una investigación confidencial de una computadora cuántica. Los documentos del alijo de Edward Snowden revelaron que la Agencia de Seguridad Nacional gastaba alrededor de 80 millones de dólares en una “computadora cuántica útil en criptografía”, según reportó The Washington Post, todo ello confidencial.

¿PREPARARSE O PRECUPARSE?

Aun cuando las computadoras cuánticas parecen estar distantes, no es demasiado pronto para empezar a preocuparse de mantener los secretos lejos de ojos fisgones. La posibilidad de que surja una máquina que descifre códigos en algún momento de la próxima década ya está haciendo sonar las alarmas en algunos círculos.

Se piensa que la Agencia de Seguridad Nacional (NSA) y otras organizaciones de inteligencia están recopilando montones de información encriptada, anticipándose al día en el futuro no muy distante cuando puedan decodificarla con una computadora cuántica. Y también se empiezan a preocupar por el día en que sus adversarios puedan descifrar sus secretos recopilados. En Estados Unidos, hay planes en marcha para introducir nuevos métodos de codificación que no puedan ser descifrados por una computadora cuántica. La NSA anunció en 2015 que pretendía cambiarse con el tiempo a un esquema alternativo, resistente a lo cuántico, todavía sin determinar. “Ahora queda en claro que las medidas actuales de seguridad en internet y la criptografía detrás de ellas no soportarán las nuevas capacidades computacionales que traerán las computadoras cuánticas”, dijo Natalie Wolchover, portavoz de la NSA, a Quanta.

Un año después, los Institutos Nacionales de Estándares y Tecnología (NIST) anunciaron una competencia técnica para estándares de codificación resistentes a lo cuántico. Este año, los NIST redujeron la lista de 69 competidores a 15. resulta que el esquema más popular es la “codificación basada en entramado”, la cual requerirá que una computadora halle una ruta específica a través de redes de miles de millones de números, una base matemática enteramente diferente a los esquemas de codificación actuales de clave pública, que dependen de factorizar números grandes.

Persuadir a las agencias de gobierno y otras organizaciones para que migren de los esquemas de codificación actuales de clave pública a unos nuevos no será fácil. Si la amenaza no es clara y presente, se puede dar la complacencia. “La gente todavía usa navegadores de red con codificación que fue descifrada en la década de 1990”, comenta Aaronson. “Es triste”. N

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Publicado en cooperación con Newsweek / Published in cooperation with Newsweek