¿La computadora cuántica será una realidad?

A principios de mayo, los informes de prensa se referian a un dispositivo de computación cuántica que por primera vez había superado a las computadoras clásicas, capaz de resolver determinados problemas miles de veces más rápido. La cobertura de los medios de comunicación envió mensajes de entusiasmo a través de la comunidad tecnológica. Una computadora cuántica completa, de ser construida, revolucionaría los grandes sectores de la informática -ejecutándose con muchos algoritmos sería extremadamente más rápida- incluso uno que podría terminar con la mayoría de los protocolos de cifrado en uso hoy en día. Los investigadores de computación cuántica no están de acuerdo si un dispositivo de D-Wave Systems aprovecha realmente la rareza contradictoria de la física cuántica. Durante las siguientes semanas, sin embargo, surgió una fuerte controversia entre los investigadores de computación cuántica. Los expertos discutieron sobre si el dispositivo, creado por D-Wave Systems, en Burnaby, Columbia Británica, ofrecía realmente las aceleraciones reinvindicadas, si funcionaría de la forma en que la empresa pensaba que lo hacía, e incluso si es que realmente aprovechaba de las rarezas contraintuitivas de la física cuántica, que gobiernan el mundo de las partículas elementales como los electrones y los fotones. La mayoría de los investigadores no tienen acceso al sistema, que es propiedad de D-Wave, por lo que simplemente no pueden examinar sus especificaciones para verificar las afirmaciones de la compañía. Pero incluso si pudieran mirar debajo del capó, ¿cómo podrían saber lo que es realmente? La verificación de los procesos de una computadora ordinaria es fácil, en principio: en cada paso de un cálculo, se puede examinar su estado interno -algunas series de 0s y 1s- para asegurarse de que se está llevando a cabo las especificaciones necesarias. El estado interno de una computadora cuántica, sin embargo, está constituido de “qubits” -que son una mezcla (o “superposición”) de 0s y 1s al mismo tiempo- como el mítico gato de la mecánica cuántica de Schrödinger, que está simultáneamente vivo y muerto a la vez. Para describir el estado interno de una gran computadora cuántica se requiere de una increíblemente elevada cantidad de parámetros. El estado de un sistema que contiene 1.000 qubits, por ejemplo, podría necesitar más parámetros que la estimación del número de partículas en el universo. Y hay un obstáculo aún más fundamental: La medición de un sistema cuántico “se derrumba” en un solo estado clásico en lugar de una superposición de muchos estados. (Como cuando se mide al gato de Schrödinger, que al instante se encuentra vivo o muerto). Asimismo, el examen del funcionamiento interno de una computadora cuántica podría revelar una colección ordinaria de bits clásicos. Un sistema cuántico, dijo Umesh Vazirani de la Universidad de California, Berkeley, es como una persona con una increíblemente rica vida interior, pero que, si se le pregunta “¿Qué pasa?” se encoge de hombros y dice: “No mucho”. En el famoso experimento mental de Erwin Schrödinger, un evento al azar puede desencadenar la liberación del veneno que mata al gato en una caja. Hasta que se abre la caja, sin embargo, el gato puede ser pensado como si estuviese en un estado de superposición cuántica en el que está tanto vivo como muerto. “¿Cómo probaremos alguna vez un sistema cuántico”, preguntó Vazirani. “¿Tendremos que asumir un acto de fe? A primera vista, parece que la respuesta obvia es sí”. Resulta, sin embargo, que hay una manera de probar la ‘rica vida interior’ de una computadora cuántica, utilizando únicamente mediciones clásicas, si el equipo tiene dos componentes “enredados” separados. En la edición 25 de abril en un artículo de la revista Nature, Vazirani, junto con Ben Reichardt de la Universidad del Sur de California en Los Ángeles y Falk Unger de Knight Capital Group Inc. en Santa Clara, mostraron cómo establecer el preciso estado interno de este tipo de equipo utilizando una táctica que es favorita en los programas policiales de TV: interrogar a los dos componentes en habitaciones separadas, por así decirlo, y comprobar si sus historias son consistentes. Si las dos mitades de la computadora responden a una serie particular de preguntas correctamente, el interrogador no sólo puede averiguar su estado interno y las medidas que se están ejecutando, sino también dar instrucciones que obliguen a las dos mitades a llevar a cabo conjuntamente cualquier computación cuántica que se desee. “Es un gran logro”, dijo Stefano Pironio, de la Universidad Libre de Bruselas en Bélgica. El hallazgo no arrojó luz sobre la computadora de D-Wave, la cual ha sido construida en base a principios muy diferentes; y podrían pasar décadas antes de que un trabajo sobre una computadora se publique en un artículo de Nature -de una computadora completamente cuántica- que se pueda construir. Sin embargo el resultado es una importante prueba de principio, dijo Thomas Vidick, quien recientemente completó su investigación post-doctoral en el Massachusetts Institute of Technology (MIT). “Es un gran paso conceptual”. En el corto plazo, el nuevo enfoque de interrogatorio ofrece un potencial para aumentar la seguridad de la criptografía cuántica, que se comercializa en el mercado desde hace más de una década. En principio, la criptografía cuántica ofrece seguridad “incondicional”, garantizada por las leyes de la física. Los dispositivos reales cuánticos, sin embargo, son muy difíciles de controlar, y en la última década, los sistemas criptográficos cuánticos han sido repetidamente hackeados. La técnica de interrogación crea un protocolo de criptografía cuántica que, por primera vez, podría transmitir una clave secreta, a la vez que al mismo tiempo se demuestra que los dispositivos cuánticos impiden cualquier potencial filtración de información. Algunas versiones de este protocolo podrían muy bien ser implementados dentro de los próximos cinco a 10 años, predijo Vidick y Scott Aaronson, su ex asesor en el MIT, un científico de computación teórica. “Es un nuevo nivel de seguridad que soluciona las deficiencias de la criptografía cuántica tradicional”, dijo Pironio. Un sistema de criptografía cuántica, para asegurar un enlace de comunicación, fue utilizada en la competición de la Copa Mundial FIFA 2010 en Durban, Sudáfrica. Acción fantasmal En 1964, al físico irlandés John Stewart de Bell se le ocurrió una prueba para tratar de establecer de una vez por todas, que los principios incomprensiblemente contrarios a la intuición de la física cuántica son propiedades inherentes de la verdad del universo, que durante décadas los esfuerzos de Albert Einstein y otros físicos para el desarrollo de una física más intuitiva nunca podría dar sus frutos. Einstein estaba profundamente perturbado por la aleatoriedad en la base de la física cuántica, Dios “no está jugando a los dados”, célebre frase que escribió al físico Max Born en 1926. En 1935, Einstein, junto con sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen, describieron una extraña consecuencia de esta aleatoriedad, que ahora se llama la paradoja EPR (abreviatura de Einstein, Podolsky, Rosen). De acuerdo con las leyes de la física cuántica, es posible que dos partículas interactúen brevemente de tal manera que se conviertan en su estado “enredado” como “pares EPR”. Entonces incluso si las partículas viajan muchos años luz de distancia la una de la otra, una de las partículas de algún modo, al instante, pareciera “conocer” el resultado de la medición en la otra partícula: Cuando se le hace la misma pregunta, dará la misma respuesta, a pesar de que la física cuántica dice que la primera partícula eligirá su respuesta al azar (aleatoriamente). Si en la teoría de la relatividad especial se deniega a la información viajar más rápido que la velocidad de la luz, ¿cómo es que la segunda partícula sabía la respuesta? Para Einstein, estas “acciones fantasmales a distancia” implicaban que la física cuántica es una teoría incompleta. “La mecánica cuántica es ciertamente imponente, le escribió a Born. “Pero una voz interior me dice que aún no es una cosa real.” En las restantes décadas de su vida, Einstein buscó una forma en que las dos partículas pudieran usar la física clásica para llegar a sus respuestas, variables ocultas que podrían explicar el comportamiento de las partículas, sin incurrir en la aleatoriedad o a la accion fantasmal. Sin embargo, en 1964, Bell se percató de que la paradoja EPR podría ser utilizada para diseñar un experimento que determinase si la física cuántica o una teoría de variables ocultas locales podrían explicar correctamente el mundo real. Cinco años más tarde se adaptó en un formato llamado el juego CHSH (por los investigadores John Clauser, Michael Horne, Abner Shimony y Richard Holt); que es una prueba que le pide a un sistema probar su naturaleza cuántica mediante la realización de una hazaña que no es posible utilizando sólo la física clásica. El juego CHSH es un juego de coordinación, en el que dos jugadores colaboradores -Bonnie y Clyde, por ejemplo- son interrogados en salas separadas. Su objetivo común es dar respuestas idénticas o diferentes, dependiendo de lo que les pide el “detective”. Ninguno de los dos sabe qué pregunta el detective le está haciendo al otro jugador. Si Bonnie y Clyde pueden usar sólo la física clásica, entonces no importará la cantidad de “variables ocultas” que comparten; resulta que lo mejor que pueden hacer es decidir una historia antes de separarse y luego sujetarse a ella, sin importar lo que el detective les pregunte, una estrategia que les va a hacer ganar un 75 % de veces en el juego de las preguntas. Pero si Bonnie y Clyde comparten un par EPR de partículas entrelazadas -tal vez recogidas en el atraco a un banco- entonces podrán explotar la acción fantasmal a distancia para coordinar mejor sus respuestas y ganar el juego sobre el 85,4 % de tiempo. La prueba de Bell dio a los físicos experimentales una manera específica para distinguir entre la física cuántica y alguna teorías de variables ocultas. Durante las décadas que siguieron, los físicos, sobre todo Alain Aspect, actualmente en la Escuela Politécnica de Palaiseau, Francia, llevaron a cabo esta prueba varias veces, en situaciones cada vez más controladas. Casi todas las veces, el resultado fue consistente con las predicciones de la física cuántica, no con las variables ocultas. El trabajo de Aspect “ha pintado las variables ocultas en una esquina”, dijo Aaronson. Los experimentos tuvieron un papel muy importante, dijo, en convencer a la gente de que la rareza contradictoria de la física cuántica está aquí para quedarse. Si Einstein hubiera sabido de la prueba de Bell, dijo Vazirani, “no habría desperdiciado 30 años de su vida buscando una alternativa a la mecánica cuántica”. Simplemente habría convencido a alguien para hacer el experimento. Un bloqueo de muñeca cuántico La prueba de Bell no permite más de un sistema físico para demostrar que es cuántica, el resultado de abril muestra que: Se da un paso a un sistema cuántico complejo para establecer exactamente lo su estado interno, y qué mediciones se están haciendo. Reichardt, Unger y Vazirani mostraron que si Bonnie y Clyde están ganando 85,4 % del tiempo durante muchas rondas de juego CHSH, entonces casi con absoluta certeza, lo que deben estar haciendo es la medición de una gran colección de pares EPR, pares diferentes para diferentes rondas del juego. En otras palabras, Bonnie y Clyde pueden mostrar, a través de su rendimiento en el juego, sólo lo que está pasando dentro de sus dispositivos cuánticos, sin necesidad de abrir el capó. Es la prueba de Bell “pero con esteroides”, dice Aaronson. Vazirani comparó la nueva prueba a un bloqueo de aikido, en el que un maestro puede doblar la muñeca de un fuerte oponente de tal manera que éste se retorcerá luego del agarre que sería insoportablemente doloroso. “Los sistemas cuánticos son exponencialmente poderosos, pero si no hacemos esta sencilla prueba, tendremos un bloqueo de muñeca sobre los jugadores cuánticos”, dijo. “Se neutraliza su poder.” Si Bonnie y Clyde quieren jugar lo mejor posible, no pueden evitar revelar su estado interno. Una vez que un maestro de aikido tiene a su rival con un bloqueo de muñeca, Vazirani dijo, puede conducir a su oponente en torno simplemente tirando de la muñeca en la dirección deseada. De la misma manera, Vazirani y sus colegas muestran cómo se puede obligar a Bonnie y Clyde para que lleven a cabo cualquier cálculo cuántico que se desee, sin dejar que se cuelen en los cálculos falsos. La idea es utilizar una forma de computación cuántica llamada computación por teleportación, desarrollada en 1999 por Daniel Gottesman, ahora del Instituto Perimeter en Waterloo, Ontario, Canadá, y de Isaac Chuang , ahora del MIT. El nuevo protocolo implica el deslizamiento aleatorio en las instrucciones de estos cálculos, durante múltiples rondas de juego CHSH. Si Bonnie y Clyde quieren seguir presionando su marca de 85,4 %, también tienen que llevar a cabo estas instrucciones especiales correctamente, o su falta de corrección será evidente. El detective se puede confiar en los resultados de sus cálculos, incluso si no confía en Bonnie y Clyde. En corto plazo no veremos computadoras construidas con estos principios. El protocolo debe ser más eficiente y de alta disponibilidad; Pironio advirtió, que no es de confianza aún su uso para extraer cálculos garantizados de una computadora cuántica. En cualquier caso, los retos tecnológicos en el intento de construir alguna computadora cuántica son inmensos. Sin embargo, dijo, “es un avance importante”. (Izquierda) Umesh Vazirani - División de Ciencias de la Computación de la Universidad de California, Berkeley. / (Derecha) Ben W. Reichardt - Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad del Sur de California, Los Angeles. Confiando en dispositivos no confiables Probar una computadora cuántica real utilizando el nuevo protocolo sigue siendo una perspectiva lejana; ya está empezando a enfocarse la posible aplicación del protocolo de criptografía cuántica. Un intruso no puede escuchar sin dejar rastros visibles. Los protocolos de criptografía cuántica desarrolladas hasta la fecha ofrecen seguridad perfecta, siempre que se apliquen perfectamente. Pero ahí está el problema: los dispositivos cuánticos son famosamente difíciles de controlar, y, como hemos visto, son difíciles de comprobar. Como resultado, ellos son potencialmente vulnerables a los ataques de “canal lateral”, en el que las fugas de información hacia un espía es a través de defectos del dispositivo. Los dispositivos comerciales de criptografía cuántica han sido acosados por violaciones de seguridad en la última década. Reichardt, Unger y Vazirani ahora han creado un protocolo de criptografía cuántica que es, en principio, impermeable a tales ataques, ya que no requiere que los usuarios confíen en meticulosos dispositivos cuánticos. En cambio, el protocolo se basa en una prueba de que los dispositivos funcionan correctamente, una característica conocida como “independencia de dispositivo” que ha sido un enfoque importante de la investigación en criptografía cuántica durante los últimos 15 años. En el nuevo protocolo, dos dispositivos están situados en los extremos opuestos de la proporción de transmisión de una colección de pares EPR, en la que se realizan las mediciones que determinan los bits de una clave secreta. Mediante la mezcla de estas medidas con muchas rondas de juego CHSH, los dispositivos pueden demostrar a sus usuarios que realmente están haciendo lo que ellos dicen. La seguridad de la clave se basa en un principio de la física cuántica llamado “la monogamia de enredo”. De acuerdo con este principio, si dos partículas se enredan como un par EPR, tampoco la partícula puede flirtear en lo más mínimo de enredo con cualquier otra partícula en el universo. Esto significa que no importa las herramientas que un intruso potencial tenga a su disposición, nada le permitirá predecir algo acerca de la clave secreta. El protocolo no es lo suficientemente eficiente para una implementación práctica. Pero relajando los requisitos sobre cuánta información necesitan recoger los usuarios de sus dispositivos, Vazirani y Vidick han creado un protocolo cuya velocidad de transmisión es clave dentro de los límites de la viabilidad. Todavía hay obstáculos importantes a superar antes de que tal aparato pueda ser construido, dijo Pironio. En la actualidad, es difícil transmitir fotones entrelazados a través de largas distancias sin que algunos fotones se pierdan en el proceso, lo que puede comprometer la seguridad. Vidick sigue siendo optimista, sin embargo. “El equipo está mejorando muy rápidamente”, dijo. Si bien la idea de basar la seguridad en la prueba de Bell es “muy satisfactoria”, es importante ser consciente de las limitaciones del dispositivo, independientemente de la criptografía cuántica, advirtió Nicolas Gisin , de la Universidad de Ginebra, uno de los fundadores de la empresa de criptografía cuántica Quantique ID. Los partidarios del concepto suelen decir que ya no es necesario confiar en los dispositivos, aunque podrían comprarlos a un adversario. Pero esta idea pasa por alto las posibles vulnerabilidades. Por ejemplo, el adversario podría simplente ocultar un radio transmisor en el interior de una de las cajas, emitiendo los valores de la clave secreta hacia un espía. “La seguridad perfecta no existe” dijo Gisin. Sin embargo, lo que un dispositivo criptográfico cuántico ofrece, es la promesa que las únicas partes del sistema que usted tiene que comprobar son las partes que utilizan la física clásica, como la propia caja y el programa que ejecuta el protocolo y las cuentas de los resultados. A diferencia de los dispositivos cuánticos, son piezas que usted puede comprobar tan a fondo como usted quiera. “Siempre que la parte clásica sea de confianza, usted no tiene que confiar en la parte cuántica”, dijo Gisin. Para Vazirani, las implicaciones más importantes de la nueva obra no se encuentra en sus posibles aplicaciones, sino en su significado filosófico, el hecho de que es posible investigar la vida interior secreta de un sistema cuántico. A un sistema clásico no se le permite echar un vistazo dentro de un sistema cuántico y “ver lo que está sucediendo detrás del escenario”, dijo Vazirani. “Pero resulta que de esta manera indirecta, si se puede mirar detrás de la cortina”. “Para mí, lo más emocionante es que sea posible hacer esto en absoluto”, dijo. “No tenía por qué haber sido así”.