¿Qué es la computación cuántica? Una explicación sencilla

¿Qué es la computación cuántica en palabras sencillas?

La computación cuántica es la forma en que las computadoras cuánticas realizan cálculos. Por tanto, una computadora cuántica es el dispositivo, mientras que la computación cuántica se refiere a la tecnología y al método de cálculo que hay detrás.

Una computadora cuántica funciona de manera distinta a una computadora clásica. Mientras que una computadora normal trabaja con bits que son 0 o 1, una computadora cuántica utiliza qubits.

Esos qubits pueden procesar la información de otra manera. Gracias a ello, las computadoras cuánticas pueden abordar algunos problemas muy específicos de forma distinta a las computadoras normales. Piense, por ejemplo, en el cálculo de moléculas para la investigación de nuevos medicamentos y materiales, o en ciertos problemas matemáticos que requieren mucho trabajo de cálculo para las computadoras clásicas.

Eso no significa que una computadora cuántica sea automáticamente más rápida. Para tareas habituales, como navegar por internet, hacer videollamadas, usar hojas de cálculo o ejecutar servidores, una computadora clásica sigue siendo mucho más adecuada.

Por ello, es probable que las computadoras cuánticas no sustituyan a las computadoras normales. En la práctica, ambos tipos de computadoras se utilizarán más bien en paralelo, y una computadora cuántica solo se empleará para problemas en los que ese enfoque pueda aportar una ventaja real.

Puntos clave

• La computación cuántica utiliza qubits en lugar de solo bits normales.
• Los qubits pueden presentar propiedades como la superposición y el entrelazamiento cuántico.
• Una computadora cuántica no es más rápida que una computadora clásica para todas las tareas.
• La técnica puede ser especialmente útil para problemas complejos específicos.
• Una computadora cuántica suficientemente potente puede, con el tiempo, plantear riesgos para la criptografía y las criptomonedas.

¿Cómo funciona la computación cuántica?

Una computadora cuántica realiza un cálculo con qubits. Primero, esos qubits se colocan en un determinado estado inicial. Después, la computadora aplica operaciones sobre los qubits y, al final, se miden.

Esas operaciones se llaman puertas cuánticas, o gates. Puede verlas como instrucciones que cambian el estado de un qubit. Al ejecutar varias de esas instrucciones una tras otra, se crea un algoritmo cuántico.

Durante un cálculo, los qubits también pueden influirse entre sí. Los algoritmos cuánticos utilizan esto para aumentar o reducir la probabilidad de determinados resultados. El objetivo es que el resultado deseado aparezca con mayor frecuencia cuando se midan los qubits.

Tras la medición, se obtienen valores normales, como 0 y 1. Por tanto, una computadora cuántica no ofrece automáticamente todas las respuestas posibles al mismo tiempo. El algoritmo debe estar construido de tal manera que un resultado útil tenga una alta probabilidad de ser medido.

¿Qué son los qubits?

Un qubit es la unidad básica con la que una computadora cuántica procesa información. Puede compararse con un bit en una computadora normal.

Un bit normal es 0 o 1. Un qubit funciona de otra manera. Antes de medirlo, su estado puede ser tal que tanto 0 como 1 sean resultados posibles. Solo cuando se mide el qubit se obtiene un resultado: 0 o 1.

Los qubits no son componentes informáticos normales. Los investigadores pueden fabricarlos, por ejemplo, con circuitos eléctricos muy pequeños, átomos, iones o partículas de luz.

El gran problema es que los qubits son muy sensibles a su entorno. El calor, las vibraciones y el ruido electromagnético pueden alterar un cálculo. Por eso es difícil construir grandes computadoras cuánticas que puedan calcular de forma fiable durante suficiente tiempo.

¿Qué es la superposición (superposition)?

La superposición es el nombre del fenómeno por el cual un qubit, antes de la medición, no está simplemente fijado en 0 o 1.

Puede verse como varios resultados posibles que forman parte del mismo estado cuántico. En la medición, finalmente solo se obtiene un resultado.

Con dos qubits, por ejemplo, son posibles cuatro resultados:

• 00
• 01
• 10
• 11

Una computadora cuántica puede trabajar durante el cálculo con un estado en el que todas estas posibilidades desempeñan un papel. Eso no significa, sin embargo, que al final pueda leer las cuatro respuestas al mismo tiempo. Tras una medición, se obtiene un solo resultado.

Por eso, un algoritmo cuántico debe orientar el cálculo de modo que un resultado útil tenga una mayor probabilidad de ser medido.

Ejemplo: Suponga que dos qubits pueden producir finalmente 00, 01, 10 o 11. Un buen algoritmo cuántico intenta hacer lo más alta posible la probabilidad del resultado deseado, por ejemplo 10.

¿Qué es el entrelazamiento cuántico (quantum entanglement)?

En el entrelazamiento cuántico, dos o más qubits quedan tan conectados entre sí que ya no puede describirse por completo su estado por separado.

Por ejemplo, suponga que dos qubits están entrelazados de tal manera que, al medirlos, siempre se obtiene 00 o 11. Si mide el primer qubit como 0, en este ejemplo el otro también se medirá como 0. Si obtiene 1, el otro también dará 1.

Las computadoras cuánticas pueden utilizar estas relaciones durante los cálculos. Junto con la superposición y otros fenómenos cuánticos, esto permite realizar cálculos que funcionan de manera distinta a los de una computadora clásica.

Por cierto, el entrelazamiento cuántico no significa que pueda transmitir información más rápido que la luz. No puede decidir por sí mismo qué resultado de medición obtendrá.

¿Cuál es la diferencia entre las computadoras cuánticas y las clásicas?

La diferencia principal es que una computadora clásica trabaja con bits, mientras que una computadora cuántica utiliza qubits. Un bit normal es 0 o 1. Un qubit funciona según las reglas de la mecánica cuántica y, por ello, puede procesar la información de otra manera.

Las computadoras cuánticas utilizan fenómenos como la superposición (superposition) y el entrelazamiento cuántico (quantum entanglement). También trabajan con operaciones especiales, llamadas puertas cuánticas o gates.

Eso no significa que una computadora cuántica sea automáticamente mejor o más rápida. Para la mayoría de las tareas cotidianas, las computadoras clásicas son mucho más adecuadas. Piense en navegar por internet, procesar archivos, hacer videollamadas o ejecutar servidores.

Las computadoras cuánticas son especialmente interesantes para un número limitado de problemas para los que existen algoritmos cuánticos especiales.

Otra diferencia es que los qubits son mucho más sensibles a las perturbaciones que los bits normales. El calor, el ruido electromagnético y otras influencias del entorno pueden causar errores. Por eso es difícil construir grandes computadoras cuánticas que sigan calculando de forma fiable durante suficiente tiempo.

Además, el número de qubits por sí solo no indica cuánto puede hacer una computadora cuántica. También importa, por ejemplo, con qué frecuencia se producen errores, qué tan bien pueden colaborar los qubits entre sí y qué tan bien pueden corregirse esos errores.

En el futuro, es probable que las computadoras cuánticas y las clásicas se utilicen en paralelo. Una computadora clásica puede encargarse, por ejemplo, del procesamiento y el control normales, mientras que una computadora cuántica solo ejecuta una parte específica de un cálculo difícil.

¿Para qué puede utilizarse la computación cuántica?

La computación cuántica puede ser especialmente interesante para problemas que resultan muy difíciles para las computadoras clásicas.

Un ejemplo importante es la simulación de la propia naturaleza. Las moléculas y los materiales se comportan a escala muy pequeña según la mecánica cuántica. Por ello, en teoría, una computadora cuántica puede ser adecuada para reproducir esos sistemas.

Algunas aplicaciones posibles son, por ejemplo:

• la investigación de nuevos medicamentos;
• el descubrimiento de nuevos materiales;
• la simulación de reacciones químicas;
• ciertos problemas de planificación y optimización;
• ciertos cálculos matemáticos y criptográficos.

En optimización, por ejemplo, puede pensarse en la búsqueda de una buena ruta, la planificación de la producción o la distribución logística. Se investiga mucho en este ámbito, pero las computadoras cuánticas todavía no han demostrado una ventaja práctica para todos los tipos de problemas de optimización.

Un ejemplo conocido en matemáticas es el algoritmo de Shor. Se trata de un algoritmo cuántico con el que una computadora cuántica suficientemente potente podría resolver ciertos problemas matemáticos de forma mucho más eficiente que los métodos clásicos conocidos.

Esto es especialmente importante para criptografía, porque algunos métodos de seguridad se basan precisamente en que esos cálculos son extremadamente difíciles para las computadoras normales.

Muchas aplicaciones de la computación cuántica siguen en fase de investigación. Por tanto, un experimento en el que una computadora cuántica realiza mejor una tarea concreta no significa automáticamente que esa tecnología ya sea utilizable de inmediato para empresas o consumidores.

¿Qué impacto tiene la computación cuántica en la criptografía?

La computación cuántica puede tener en el futuro consecuencias para algunas formas de criptografía.

La criptografía de clave pública (public-key cryptography) es especialmente importante. En ella, usted tiene una clave pública que puede compartir con otras personas y una private key que debe permanecer secreta.

La seguridad de estos sistemas se basa en problemas matemáticos que, para las computadoras normales, no pueden resolverse de forma práctica en un tiempo útil.

Una computadora cuántica suficientemente potente podría resolver algunos de esos problemas con el algoritmo de Shor de forma mucho más eficiente. Como resultado, ciertas formas de cifrado y de firmas digitales podrían volverse vulnerables.

Eso puede tener consecuencias de dos maneras.

En el cifrado, alguien podría descifrar información que debía permanecer secreta.

En las firmas digitales, alguien podría falsificar una firma válida sin poseer la private key real.

No toda la criptografía se ve afectada de la misma manera. El cifrado simétrico y las funciones hash no son atacados por el algoritmo de Shor de la misma forma fundamental.

Para esos sistemas, el algoritmo de Grover es especialmente relevante. Puede acelerar en teoría ciertos problemas de búsqueda, por lo que podría ser necesario un mayor margen de seguridad.

Actualmente todavía no existe una computadora cuántica que pueda romper de forma práctica y a gran escala la criptografía de uso común.

Aun así, ya existe un riesgo para la información que debe permanecer secreta durante muchos años. Un atacante puede almacenar hoy datos cifrados y esperar descifrarlos más adelante con una computadora cuántica más potente. Esto se conoce como harvest now, decrypt later.

¿Qué métodos criptográficos pueden volverse vulnerables?

Especialmente la criptografía que se basa en la factorización o en el problema del logaritmo discreto puede volverse vulnerable ante una computadora cuántica suficientemente potente.

RSA es un ejemplo conocido. La seguridad de RSA se basa en que, para las computadoras normales, es muy difícil descomponer números muy grandes en sus factores.

También pueden volverse vulnerables Diffie-Hellman, ECDH, DSA, ECDSA y las firmas Schnorr.

Muchas de estas técnicas utilizan el problema del logaritmo discreto. Se trata de un problema matemático difícil para las computadoras clásicas, pero para el que el algoritmo de Shor ofrece un enfoque mucho más eficiente.

Para las criptomonedas, la criptografía de curva elíptica, abreviada ECC, es especialmente importante. Muchas blockchains utilizan ECC para crear firmas digitales.

Con una firma de este tipo, usted demuestra que puede realizar una transacción sin revelar públicamente su private key.

Si una futura computadora cuántica pudiera calcular la private key correspondiente a partir de una clave pública, un atacante podría falsificar firmas válidas.

Otras técnicas, como AES y las funciones hash, se ven afectadas de otra manera. El algoritmo de Grover puede acelerar ciertas búsquedas, pero no rompe estas técnicas de la misma forma en que el algoritmo de Shor puede afectar a RSA y ECC.

¿Cuáles son las limitaciones de la computación cuántica?

Las computadoras cuánticas todavía tienen grandes limitaciones técnicas.

Un problema importante es que los qubits son muy sensibles a las perturbaciones. El calor, la radiación electromagnética y otros tipos de ruido pueden alterar el estado cuántico.

La pérdida de ese estado cuántico deseado se denomina decoherencia (decoherence).

Si durante un cálculo se producen demasiados errores, la respuesta deja de ser fiable. Por eso es importante la corrección de errores cuánticos (quantum error correction).

Para ello, se utilizan varios qubits físicos para formar conjuntamente un qubit lógico más fiable.

Eso significa que una computadora cuántica con muchos qubits físicos puede terminar teniendo muchos menos qubits lógicos útiles.

La escalabilidad también es difícil. No basta con construir simplemente cada vez más qubits. También deben poder controlarse bien, colaborar entre sí y mantenerse fiables durante suficiente tiempo.

Además, la computación cuántica no ofrece ventajas para todos los problemas. Debe existir un algoritmo cuántico que pueda abordar el problema de una manera útil.

Por tanto, las computadoras cuánticas no son un sustituto general de las computadoras clásicas. Están pensadas sobre todo para tipos específicos de cálculos.

¿Qué riesgos plantea la computación cuántica para las criptomonedas?

Para las criptomonedas, un riesgo cuántico importante se encuentra en las firmas digitales.

Muchas blockchains utilizan una clave pública y una private key. La private key se usa para firmar transacciones. La clave pública puede utilizarse para verificar esa firma.

Una futura computadora cuántica potente podría, en algunos sistemas criptográficos, calcular la private key correspondiente a partir de la clave pública.

Entonces, un atacante podría crear firmas válidas por su cuenta y mover criptomonedas sin permiso del verdadero propietario.

La magnitud exacta de ese riesgo depende de cada blockchain.

Por ejemplo, depende de:

• qué criptografía utiliza la blockchain;
• cuándo se hace visible una clave pública;
• cómo utilizan los usuarios su crypto wallet;
• con qué facilidad puede adaptarse el protocolo.

La transición hacia una nueva seguridad también puede generar riesgos.

No solo la propia blockchain debe admitir nueva criptografía. También las wallets, los crypto exchanges, las soluciones de custodia y otro software deben adaptarse a tiempo.

Además, las nuevas firmas poscuánticas pueden ser más grandes que las firmas actuales. Eso puede afectar al tamaño de las transacciones, el almacenamiento, el ancho de banda, el tiempo de procesamiento y las fees.

También pueden verse afectados sistemas fuera de la blockchain. Piense en comunicaciones cifradas, datos almacenados u otras partes de la infraestructura en torno a las criptomonedas.

En ese ámbito, harvest now, decrypt later puede convertirse incluso antes en un problema que en la propia blockchain.

¿Puede la computación cuántica romper Bitcoin?

No con las computadoras cuánticas que existen actualmente.

Para atacar Bitcoin de forma práctica con computación cuántica, se necesita una computadora cuántica mucho más potente y tolerante a fallos. Ese sistema no existe en este momento y no se sabe cuándo cambiará eso.

Bitcoin utiliza criptografía de curva elíptica para las firmas digitales.

Las transacciones tradicionales de Bitcoin utilizan ECDSA con la curva secp256k1. Desde la actualización Taproot, Bitcoin también admite firmas Schnorr.

Ambas técnicas pueden volverse vulnerables en teoría al algoritmo de Shor.

Un detalle importante es cuándo se hace visible la clave pública.

En determinadas direcciones de Bitcoin, al principio solo aparece en la blockchain un hash de la clave pública. Cuando usted gasta el bitcoin, la clave pública completa se hace visible.

Eso significa que el riesgo no funciona exactamente igual para cada bitcoin.

Por ello, sería demasiado simplista decir que una computadora cuántica podrá "romper Bitcoin" automáticamente.

Un ataque depende, entre otras cosas, de cuán potente sea la computadora cuántica, qué claves públicas sean visibles, con qué rapidez pueda ejecutarse ese ataque y cómo reaccione la red Bitcoin.

Las funciones hash como SHA-256 tampoco se ven afectadas de la misma manera que las firmas digitales.

El algoritmo de Grover puede acelerar en teoría ciertos ataques, pero ese es un tipo de riesgo distinto del ataque del algoritmo de Shor contra la criptografía de curva elíptica.

¿Cómo pueden protegerse las blockchains frente a las computadoras cuánticas?

La solución principal es sustituir la criptografía vulnerable por criptografía que deba ser resistente a los ataques cuánticos.

Eso se denomina criptografía poscuántica (post-quantum cryptography).

Para las blockchains, esto significa, por ejemplo, que pueden añadirse nuevos tipos de direcciones y firmas digitales.

Después, los usuarios pueden mover sus criptomonedas a direcciones que utilicen esa nueva seguridad.

Un concepto importante aquí es la crypto-agility. Con ello se quiere decir que un sistema puede sustituir su seguridad criptográfica cuando sea necesario.

Eso no es sencillo para una blockchain. El protocolo debe modificarse y las wallets, los exchanges y otro software deben admitir las nuevas reglas.

Además, los usuarios existentes deben tener la posibilidad de mover sus criptomonedas de forma segura.

En el caso de Bitcoin, también puede ayudar no reutilizar innecesariamente direcciones y claves públicas. Así, una clave pública permanece visible durante menos tiempo.

Sin embargo, eso no es una solución completa. Cuando se gasta una transacción, la clave pública puede seguir haciéndose visible.

Por ello, también existen propuestas para preparar mejor Bitcoin ante una posible amenaza cuántica.

Un ejemplo es Pay-to-Merkle-Root, abreviado P2MR. Esta propuesta intenta limitar la exposición prolongada de determinadas claves públicas.

Actualmente es solo una propuesta y no una regla activa de Bitcoin.

Para una protección completa, en última instancia también serían necesarias firmas digitales resistentes a los ataques cuánticos conocidos.

¿Qué es la criptografía poscuántica?

La criptografía poscuántica (post-quantum cryptography), a menudo abreviada como PQC, es una criptografía diseñada para resistir los ataques conocidos tanto de computadoras clásicas como cuánticas.

La PQC funciona en computadoras normales. Por tanto, no necesita una computadora cuántica para utilizarse.

Eso es distinto de la criptografía cuántica (quantum cryptography). En este caso, se utilizan propiedades de la propia física cuántica, por ejemplo para intercambiar claves.

En la criptografía poscuántica, en cambio, se utiliza nueva matemática para proteger mejor los sistemas existentes frente a futuros ataques cuánticos.

En 2024 se publicaron los primeros estándares importantes de criptografía poscuántica.

Entre ellos se incluyen:

• ML-KEM para intercambiar o acordar de forma segura claves secretas;
• ML-DSA para firmas digitales;
• SLH-DSA para firmas digitales basadas en funciones hash.

Estos métodos utilizan problemas matemáticos distintos de RSA y la criptografía de curva elíptica.

Poscuántico no significa que esa criptografía sea irrompible para siempre. Las técnicas criptográficas siguen siendo investigadas y probadas.

Para las blockchains, el desafío no consiste solo en elegir un nuevo algoritmo. También influyen el tamaño de las transacciones, los costes de verificación, las wallets, la gestión de claves y la compatibilidad con los sistemas existentes.

Conclusión

La computación cuántica utiliza qubits para realizar ciertos cálculos de manera distinta a una computadora clásica. Eso puede ser especialmente útil para problemas difíciles específicos, como la simulación de moléculas y ciertos cálculos matemáticos. Para las tareas informáticas habituales, una computadora clásica sigue siendo mucho más adecuada.

Para las criptomonedas, lo importante es sobre todo que las futuras computadoras cuánticas pueden debilitar algunas formas de criptografía. Eso puede tener consecuencias para la seguridad de las private keys y las firmas digitales. Las computadoras cuánticas actuales todavía están muy lejos de ser lo bastante potentes como para romper de forma práctica Bitcoin o la criptografía de uso común.

Aun así, ya se está trabajando en la protección frente a futuros ataques cuánticos. Una solución importante es la criptografía poscuántica. Para las blockchains, una transición de este tipo implica que los protocolos, las wallets y otros sistemas deben adaptarse a tiempo y seguir funcionando bien entre sí.