Google's Willow Chip (Fuente:reversepcb)

Lanzamiento de Willow Chip de Google (Fuente:reversepcb)

El rápido avance de la tecnología ha llevado a la computación cuántica de conceptos teóricos a la realidad práctica. La presentación por parte de Google del chip cuántico Willow en diciembre de 2024 ha captado una atención generalizada. Este chip marca un salto significativo en las capacidades computacionales e introduce un desafío potencial a los sistemas de cifrado existentes. En este artículo, profundizaremos en los principios de la computación cuántica, exploraremos el avance tecnológico representado por el chip Willow de Google, examinaremos sus posibles aplicaciones, evaluaremos la amenaza que representa para las criptomonedas y discutiremos cómo la industria de las criptomonedas debería prepararse para este desafío emergente.

¿Qué es la Computación cuántica?

La computación cuántica es un enfoque computacional innovador fundamentado en los principios de la mecánica cuántica, utilizando bits cuánticos, o qubits, para realizar cálculos. A diferencia de los bits binarios clásicos, que representan 0 o 1, los qubits pueden existir simultáneamente en una superposición de ambos estados y exhibir correlaciones intrincadas a través del entrelazamiento cuántico.

Esta propiedad única permite a los ordenadores cuánticos resolver problemas específicos a velocidades exponencialmente más rápidas. Por ejemplo, tareas como la factorización de números primos, que podrían llevar millones de años para los ordenadores tradicionales, podrían completarse utilizando la computación cuántica en segundos o minutos. Tales capacidades tienen profundas implicaciones para la criptografía moderna y la computación científica, presentando oportunidades y desafíos.

¿Por qué las computadoras cuánticas son más rápidas que las supercomputadoras?

Las ventajas de las computadoras cuánticas se derivan de tres principios fundamentales de la mecánica cuántica:

1. Superposición:

   • Un solo bit cuántico puede estar simultáneamente en un estado de 0 y 1, lo que significa que 𝑛 bits cuánticos pueden representar 2^𝑛 estados posibles. Esto permite a la computación cuántica explorar múltiples posibilidades simultáneamente, mejorando significativamente la eficiencia.

2. Entrelazamiento:

   • La entrelazamiento cuántico permite que dos bits cuánticos tengan estados altamente correlacionados, incluso si están lejos. Esta característica permite que los ordenadores cuánticos colaboren rápidamente durante operaciones de múltiples qubits, reduciendo la latencia.

3. Interferencia:

   • Las computadoras cuánticas pueden manipular la fase de los estados cuánticos para aumentar la probabilidad de respuestas correctas y reducir la probabilidad de respuestas incorrectas. Esta capacidad aumenta aún más la velocidad y la precisión de los cálculos.

Si la computación cuántica se comparara con un proceso de resolución de laberintos, una CPU tradicional solo puede intentar cada camino uno por uno, mientras que una GPU puede enviar miles de agentes por diferentes caminos simultáneamente. Sin embargo, una computadora cuántica sería como tener innumerables clones de sombra explorando cada camino simultáneamente hasta que se encuentre la salida.

Avance tecnológico del chip Willow de Google

Los dos logros más significativos del chip Willow de Google son los siguientes:

• Willow puede reducir exponencialmente los errores, resolviendo un desafío clave en la corrección de errores cuánticos que ha sido perseguido durante casi 30 años en este campo.
• Willow completó un cálculo de referencia estándar en menos de cinco minutos, una tarea que llevaría a uno de los supercomputadoras más rápidas de hoy 10 quintillones de años (1025 años)—un número que supera con creces la edad del universo.

Los últimos avances de Google en computación cuántica se centran en el chip Willow. En comparación con el chip Sycamore anterior, el chip Willow cuenta con 105 qubits, el doble que el de Sycamore. Sin embargo, el verdadero avance radica en el número de qubits y su calidad. El tiempo de coherencia de los qubits de Willow, conocido como tiempo T1, se ha mejorado significativamente, aumentando unas cinco veces en comparación con los chips anteriores. Esta mejora permite que los qubits almacenen información durante un período mucho más largo, lo que sin duda es un factor clave para garantizar la precisión y la estabilidad, no solo un aumento significativo de la escala.

Anteriormente, un problema central con los qubits era su fragilidad. Uno de los principales desafíos en la computación cuántica es que los qubits son altamente sensibles a la interferencia externa, lo que resulta en altas tasas de error (la tasa de error aumenta bruscamente a medida que se agregan más qubits). El chip Willow introduce una tecnología conocida como Corrección de Errores del Código de Superficie, que combina qubits físicos en qubits lógicos más estables, reduciendo significativamente la probabilidad de errores. Esto aborda un desafío clave que ha permanecido sin resolver durante casi 30 años en el campo de la computación cuántica.

El chip Willow aprovecha qubits lógicos, lo que permite la autocorrección y reduce en gran medida las tasas de error. El núcleo de esta tecnología es la Corrección de Errores Cuánticos (QEC).

Julian Kelly, Director de Hardware de Computación Cuántica, Presenta Willow y Sus Logros (Fuente:youtube)

¿Qué es la corrección de errores cuánticos?

La corrección de errores cuánticos (QEC) es un método utilizado para abordar los errores que ocurren durante la operación de computadoras cuánticas. Dado que los qubits son extremadamente sensibles, solo la luz dispersa puede causar errores computacionales, las técnicas de corrección de errores cuánticos son esenciales para reducir las tasas de error.

A diferencia de los ordenadores tradicionales que utilizan comprobaciones de paridad para corregir errores, los ordenadores cuánticos no pueden medir directamente el estado de un solo qubit para detectar errores. En su lugar, QEC utiliza varios cúbits físicos para formar un cúbit lógico. Incluso si se alteran algunos qubits físicos, el sistema aún puede recuperar la información correcta. En términos simples, la información se distribuye a través de múltiples qubits, en lugar de concentrarse en un solo qubit, por lo que incluso si parte de los qubits se alteran, los qubits restantes aún pueden proporcionar suficiente información para corregir el error.

Los investigadores de Google descubrieron que al introducir más qubits y realizar corrección de errores en tiempo real, podrían reducir significativamente las tasas de error. Publicaron este avance en el último número de la revista Nature, describiéndolo como un progreso 'por debajo del umbral'. Esto significa que a medida que aumenta el número de qubits, la tasa de error puede disminuir de forma exponencial, marcando un hito importante en la historia de la computación cuántica.

Aplicaciones de la Computación cuántica

Desarrollo de medicamentos y ciencia de materiales

La computación cuántica puede simular estructuras moleculares para ayudar a los investigadores a predecir rápidamente interacciones moleculares, acelerando así el descubrimiento de nuevos medicamentos y materiales, como:

• Diseño de medicamentos: La computación cuántica tiene el potencial de revolucionar el diseño de medicamentos al simular procesos de plegamiento de proteínas, acelerando significativamente el desarrollo de tratamientos contra el cáncer o vacunas. Por ejemplo, durante el desarrollo de vacunas contra el COVID-19, la computación cuántica desempeñó un papel esencial en el análisis de las estructuras proteicas. La tecnología cuántica inspirada en Fujitsu pudo filtrar billones de moléculas e identificar candidatos prometedores de medicamentos en solo ocho semanas, reduciendo drásticamente el tiempo típico de descubrimiento de medicamentos.
• Ciencia de los Materiales: Investigar nuevos materiales superconductores o tecnologías de baterías de próxima generación para mejorar la eficiencia y la vida útil de las baterías de vehículos eléctricos.

Modelado climático y ciencias ambientales

La computación cuántica puede simular los complejos procesos del cambio climático para ayudar a los investigadores a comprender los cambios ambientales y encontrar soluciones:

• Simulación del clima: Predecir futuras tendencias de calentamiento global y proporcionar datos para respaldar la formulación de políticas de reducción de emisiones.
• Optimización de la Distribución de Energía: Ayudando a los investigadores a diseñar sistemas de red eléctrica más eficientes para optimizar la distribución de energía y reducir el desperdicio. Por ejemplo, Fujitsu se asoció con el Puerto de Hamburgo para utilizar la computación inspirada en la cuántica para optimizar las señales de tráfico en la zona portuaria. Esto reduce la congestión y la contaminación, lo que conduce a un uso de energía más eficiente.

Nueva Energía y Fusión Nuclear

La computación cuántica puede simular el comportamiento atómico y molecular, acelerando la investigación en tecnología de fusión nuclear y el desarrollo de sistemas de energía más eficientes:

• Simulación de reacción de fusión nuclear: La computación cuántica ayuda a los investigadores a comprender las condiciones complejas requeridas para las reacciones de fusión nuclear, desempeñando un papel fundamental en el avance de la revolución de la energía limpia.
• Mejora de la tecnología de baterías: mediante la simulación de reacciones químicas a nivel molecular, la computación cuántica puede ayudar a diseñar baterías más eficientes y respetuosas con el medio ambiente. Por ejemplo, Daimler, en colaboración con IBM, aprovechó la computación cuántica para simular el comportamiento de las moléculas de azufre, lo que contribuyó al desarrollo de baterías de litio-azufre de mayor rendimiento y mayor duración.

Transporte y Logística

• Programación de vuelos: IBM emplea la computación cuántica para optimizar simultáneamente la gestión de la flota, asignaciones de tripulación y factores de pasajeros, ofreciendo las soluciones más eficientes para acelerar la recuperación de las operaciones de vuelo.
• Fabricación de automóviles: en asociación con Toyota, Fujitsu utiliza tecnología de recocido digital para calcular rutas de tráfico en tiempo real, reduciendo eficazmente los costos logísticos y mejorando la eficiencia operativa.

Hartmut Neven, fundador de Google Quantum AI, señaló que el lanzamiento del chip Willow marca un avance significativo para la computación cuántica comercialmente viable. Si bien la tecnología todavía está en sus primeras etapas, sienta una base sólida para resolver problemas del mundo real en el futuro.

La amenaza de la computación cuántica para las criptomonedas

A medida que la computación cuántica continúa evolucionando, presenta desafíos sin precedentes para la seguridad de las criptomonedas. Actualmente, la mayoría de las criptomonedas dependen de métodos tradicionales de cifrado de clave pública, como la Criptografía de Curva Elíptica (ECC) y la función de hash SHA-256. Sin embargo, la inmensa potencia computacional de los ordenadores cuánticos puede potencialmente socavar por completo estos estándares de cifrado existentes.

1.El riesgo de descifrado de encriptación de clave pública

• Los métodos tradicionales de cifrado de clave pública, como RSA y ECC, dependen de la dificultad computacional de problemas como la factorización de primos y los logaritmos discretos para garantizar la seguridad.
• El algoritmo Shor de la computación cuántica puede resolver estos problemas exponencialmente más rápido, lo que hace que los métodos de cifrado actuales sean vulnerables. Esto podría permitir a los piratas informáticos eludir las medidas de seguridad, obtener acceso a las claves privadas de los usuarios y comprometer sus activos digitales.

2.El Riesgo de los Algoritmos de Hash

• El mecanismo de prueba de trabajo (PoW) de Bitcoin se basa en la función de hash SHA-256 para garantizar la integridad de las transacciones.
• El algoritmo de Grover de la computación cuántica puede acelerar el proceso de descifrado de SHA-256 en un factor de raíz cuadrada. Si bien esto no es tan catastrófico como el algoritmo de Shor en la encriptación de clave pública, podría debilitar la seguridad de las criptomonedas.

3. Problemas de seguridad de transacciones

• Los detalles de la transacción se registran públicamente en la cadena de bloques en criptomonedas como Bitcoin. Los hackers podrían aprovechar la computación cuántica para romper las claves privadas de transacciones que aún no han sido confirmadas, lo que les permitiría iniciar transacciones no autorizadas.
• Esta vulnerabilidad de "atacar primero, confirmar después" pone en riesgo los activos digitales y podría socavar la integridad general y la confiabilidad de la red blockchain.

Según un informe del Instituto Hudson, si los ordenadores cuánticos logran romper la seguridad de Bitcoin, podría resultar en más de $3 billones en pérdidas de mercado, potencialmente causando un caos en los mercados financieros globales. Este riesgo solo aumentará a medida que Bitcoin y otras criptomonedas continúen ganando aceptación generalizada como activos de inversión. Sin embargo, la investigación indica que un ordenador cuántico lo suficientemente potente como para romper la encriptación de Bitcoin todavía está al menos a una década de distancia. A pesar de esto, la amenaza sigue siendo una preocupación a largo plazo. Si la comunidad de desarrollo de Bitcoin no actualiza sus protocolos de seguridad a tiempo, podría enfrentar riesgos significativos en el futuro. Si bien las técnicas criptográficas actuales de las criptomonedas siguen siendo efectivas en entornos informáticos tradicionales, la potencia computacional de los ordenadores cuánticos podría eventualmente perturbar este equilibrio.

Estrategias y direcciones para las criptomonedas en respuesta a la computación cuántica

A medida que avanza la computación cuántica, la comunidad criptográfica y las instituciones de investigación están explorando activamente estrategias para salvaguardar activos digitales y garantizar el desarrollo estable de la tecnología de la cadena de bloques. Estas estrategias incluyen la actualización de técnicas criptográficas, la mejora de los protocolos de la cadena de bloques, el fortalecimiento de medidas de seguridad de transacciones, el establecimiento de regulaciones y estándares, y la creación de marcos de monitoreo y colaboración a largo plazo.

Desarrollando Criptografía Post-Cuántica (PQC)

Como se mencionó anteriormente, dado que las tecnologías de cifrado actuales (como RSA y ECC) podrían ser comprometidas por computadoras cuánticas, el desarrollo de Criptografía Post-Cuántica (PQC) se ha convertido en un foco central. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) está liderando esfuerzos para establecer estándares de criptografía post-cuántica, que incluyen:

• Cifrado basado en retículas: Técnicas como Kyber y NTRU, que aprovechan la teoría de retículas para proporcionar seguridad, han sido seleccionadas por NIST como estándares criptográficos post-cuánticos.
• Cifrado basado en hash: Un ejemplo es SPHINCS+, que es muy adecuado para firmas digitales y proporciona una sólida protección contra los ataques de computación cuántica.
• Cifrado polinómico multivariante: este enfoque se basa en la complejidad de resolver ecuaciones polinómicas multivariantes para mantener la seguridad.

Actualización de protocolos blockchain e integración de tecnologías

Además de desarrollar nuevas técnicas criptográficas, los protocolos de blockchain deben actualizarse para cumplir con las demandas de seguridad de la era cuántica. Los principales proyectos de blockchain actualmente están explorando las siguientes tecnologías:

• Bitcoin: La comunidad está investigando cómo integrar firmas post-cuánticas (como firmas de Lamport y firmas de Winternitz) en la red de Bitcoin para garantizar la seguridad de las transacciones.
• Ethereum: Investigando tecnologías de prueba de conocimiento cero como zk-SNARKs y STARKs, que mejorarán la privacidad y reducirán la dependencia de las técnicas criptográficas tradicionales.
• Blockchain resistente a la computación cuántica: Proyectos como Quantum-Resistant Ledger (QRL) y QANplatform se centran en desarrollar tecnologías blockchain resistentes a los ataques cuánticos, protegiendo la seguridad de transacciones y datos a nivel arquitectónico.
• Optimización de los mecanismos de consenso en Blockchain: La introducción de nuevos algoritmos de consenso, como la Prueba de Participación (PoS) resistente a la computación cuántica, tiene como objetivo garantizar la estabilidad y seguridad a largo plazo de los sistemas descentralizados ante las amenazas cuánticas.

Fortalecimiento de la seguridad de las transacciones y de las claves privadas

Dado el potencial de los ordenadores cuánticos para socavar la criptografía tradicional, es crucial fortalecer aún más la seguridad de las transacciones de criptomonedas y las claves privadas.

• Tecnología de firma múltiple: requiere múltiples claves privadas para autorizar una transacción, lo que mejora la seguridad y minimiza el riesgo de vulnerabilidades de un solo punto.
• Esquema de firma de umbral (TSS): Este enfoque divide la clave privada en varias partes, distribuidas en varios dispositivos. Esto hace que sea más difícil para los piratas informáticos comprometer una sola clave utilizando la computación cuántica.
• Reducir el tiempo de confirmación de transacciones: Al optimizar la eficiencia de la red, se puede acortar el tiempo que tarda en confirmar las transacciones, reduciendo así la ventana de exposición de las claves privadas en la red.

Establecimiento de regulaciones y estándares

• Desarrollo de normas globales: Los organismos gubernamentales y las organizaciones internacionales, como NIST e ISO, deberían trabajar en estrecha colaboración con empresas tecnológicas para crear normas unificadas de cifrado post-cuántico. Este esfuerzo colaborativo ayudará a garantizar una mejora global de las medidas de seguridad dentro del mercado de criptomonedas.
• Regulaciones para Riesgos Cuánticos: Las autoridades regulatorias deben implementar pautas que exijan a los exchanges de criptomonedas y proveedores de monederos adoptar mecanismos resistentes a la computación cuántica. Estas regulaciones serán cruciales para salvaguardar los intereses de los inversores.

Conclusión

El desarrollo de la computación cuántica ha alcanzado una etapa crucial, con el chip Willow de Google acercándonos a la era cuántica. Si bien esto marca un salto tecnológico, también plantea una amenaza significativa para la seguridad de las criptomonedas y los sistemas financieros. Los expertos predicen que las computadoras cuánticas que rompan la encriptación de Bitcoin podrían estar aún a 10 o 20 años de distancia, pero la carrera ya está en marcha. Arthur Herman, investigador del Instituto Hudson, ha advertido que los ataques cuánticos son como una bomba de tiempo. Una vez que ocurran, podrían provocar pérdidas de hasta $3 billones en valor de mercado y potencialmente desencadenar una crisis financiera. A medida que el valor de Bitcoin se acerca a los $100,000, se vuelve un objetivo más atractivo para los hackers. Será crucial que la comunidad blockchain, las instituciones académicas y los reguladores gubernamentales colaboren en el avance de la criptografía poscuántica (PQC) y la actualización de la infraestructura blockchain existente, protegiendo así los activos digitales. En esta carrera contra el tiempo, aquellos que tomen medidas proactivas estarán mejor posicionados para prosperar en la era cuántica.