Tres preguntas sobre computación cuántica y comunicaciones seguras

Un tipo radicalmente diferente de tecnología informática en desarrollo, conocida como computación cuántica, podría en teoría decodificar comunicaciones seguras y poner en peligro las comunicaciones militares, la infraestructura crítica y las transacciones financieras, advierte el gobierno federal.

La administración Biden publicó recientemente un Memorándum de Seguridad Nacional sobre computación cuántica que advierte sobre las consecuencias del desarrollo de computadoras cuánticas «capaces de descifrar gran parte de la criptografía de clave pública utilizada en los sistemas digitales en los Estados Unidos y en todo el mundo».

Las consecuencias, dice, podrían «poner en peligro las comunicaciones civiles y militares, socavar los sistemas de supervisión y control de la infraestructura crítica y anular los protocolos de seguridad para la mayoría de las transacciones financieras basadas en Internet».

Las computadoras cuánticas emplean un enfoque de computación fundamentalmente diferente al que existe ahora, utilizando las leyes de la mecánica cuántica, una rama de la física que describe el movimiento y la interacción de las partículas subatómicas, para almacenar información y resolver problemas que son demasiado complejos para las computadoras actuales. Las computadoras cuánticas existen actualmente, pero tienen capacidades limitadas.

Peter Love, profesor del Departamento de Física y Astronomía y del Departamento de Ciencias de la Computación, centra su investigación en la computación cuántica. Él es parte de un centro llamado Quantum Systems Accelerator (QSA), que busca crear la próxima generación de computadoras cuánticas y aplicarlas al estudio de algunos de los problemas más desafiantes en física, química, ciencia de materiales y más.

Tufts Now habló con él sobre el Memorándum de Seguridad Nacional y los riesgos potenciales para las comunicaciones seguras que las computadoras cuánticas podrían plantear en el futuro.

Tufts Now: ¿Cuándo cree que tales computadoras cuánticas podrían desarrollarse y ponerse en línea? ¿Comenzaría con que los gobiernos tuvieran esta capacidad primero?

Peter Love: La opinión sensata sería que pasará más de una década antes de que tales máquinas estén disponibles, conservadoramente, varias décadas más. Afortunadamente, hay aplicaciones más interesantes, más pequeñas y más benignas de la computación cuántica que podemos estudiar en el camino, así como otras tecnologías cuánticas como la detección y las comunicaciones.

¿Cómo funcionan las computadoras cuánticas mucho más rápido que las computadoras actuales para poder descifrar comunicaciones anteriormente seguras?

Esa es una pregunta profunda y abierta en el campo. No tenemos una buena comprensión general de cómo se logra la aceleración cuántica en las computadoras convencionales, y generalmente no entendemos qué problemas son susceptibles de la aceleración cuántica. Esto no debería sorprender, ya que no tenemos una buena imagen conceptual de la mecánica cuántica en sí misma en términos de los conceptos clásicos utilizados para definir la mayoría de los problemas computacionales.

Pero lo que sí tenemos es una pequeña cantidad de ejemplos absolutamente sorprendentes del poder de la computación cuántica.

La criptografía de clave pública se utiliza en la mayoría de las comunicaciones seguras en Internet. Funciona de esta manera: supongamos que tengo dos números grandes. Los multiplico y te digo la respuesta. ¿Puedes decirme cuáles eran los dos números originales? La dureza de ese problema garantiza la seguridad del sistema de criptografía de clave pública más utilizado.

Existen muchos ejemplos de números que no se pueden factorizar a pesar de que se ofrecen grandes premios en efectivo. En 1994, Peter Shor, entonces en Bell Labs, ahora en MIT, publicó un algoritmo cuántico que podía factorizar estos grandes números, dada una computadora cuántica suficientemente grande. La forma en que funciona este algoritmo cuántico no tiene ninguna relación con la forma en que funcionan los mejores algoritmos clásicos.

¿Qué se puede hacer para garantizar que las comunicaciones seguras sean posibles cuando una ‘computadora cuántica criptoanalíticamente relevante’, como se llama en el memorando, está en funcionamiento?

Hay problemas que pueden formar la base de los sistemas criptográficos, donde tenemos buenas razones para creer que la computación cuántica no los descifrará. El Instituto Nacional Federal de Estándares y Tecnología ha anunciado recientemente sus últimos candidatos. Estos estarán en uso mucho antes de que una gran «computadora cuántica criptoanalíticamente relevante» esté disponible.

Sin embargo, hay que recordar que presumiblemente existen grandes archivos de señales cifradas grabadas que podrían ser muy interesantes de leer si se pudieran descifrar.

Finalmente, es importante recordar que no hay pruebas de que los problemas de factorización como el que se usa en los sistemas criptográficos RSA, comúnmente utilizados para proteger las comunicaciones, sean un problema computacional difícil, incluso para las computadoras convencionales. ¿Quién sabe si los avances en la teoría de números podrían conducir a un algoritmo de factorización clásico eficiente que podría inutilizar los sistemas RSA?

Entonces, RSA nunca fue realmente seguro en ese sentido estricto. La mayoría de la gente cree que RSA es seguro porque creen que la factorización es difícil, porque piensan que los teóricos de los números son inteligentes y habrían encontrado un algoritmo si hubiera uno. Pero eso no es una prueba matemática, es solo una apuesta de que los teóricos de los números son tan inteligentes como creen que son.

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