Una explicación sencilla de qué es realmente la computación cuántica y por qué da miedo para bitcoin

Esta semana, Google publicó un artículo que describe cómo un ordenador cuántico podría, en teoría, derivar una clave privada de bitcoin en 9 minutos, con ramificaciones que se extienden a Ethereum, otros tokens, la banca privada y, potencialmente, a todo en el mundo.

La computación cuántica se confunde fácilmente con una versión más rápida de un ordenador normal. Pero no es un chip más potente ni una granja de servidores más grande. Es un tipo de máquina fundamentalmente distinto, diferente hasta en el nivel del átomo mismo.

Un ordenador cuántico comienza con un bucle de metal muy frío y muy pequeño, donde las partículas empiezan a comportarse de maneras en las que no se comportan en condiciones normales en la Tierra, formas que alteran lo que entendemos como las reglas básicas de la física.

Entender qué significa eso, físicamente, es la diferencia entre leer sobre la amenaza cuántica y comprenderla de verdad.

Cómo funcionan realmente los ordenadores y los ordenadores cuánticos

Los ordenadores normales almacenan información como bits: cada uno es un 0 o un 1. Un bit es un pequeño interruptor. Físicamente, es un transistor en un “chip”: una compuerta microscópica que deja pasar la electricidad (1) o no (0).

Cada foto, cada transacción de bitcoin, cada palabra que has escrito alguna vez se almacena como patrones de estos interruptores encendidos o apagados. No hay nada misterioso en un bit; es un objeto físico en uno de dos estados definidos.

Cada cálculo no es más que mover estos 0 y 1 muy rápido. Un chip moderno puede hacer miles de millones de estos por segundo, pero aun así los hace de uno en uno, en secuencia.

Los ordenadores cuánticos usan algo llamado qubits en lugar de bits. Un qubit puede ser 0, 1 o —y aquí está lo raro— ¡ambos al mismo tiempo!

Esto es posible porque un qubit es un tipo de objeto físico completamente distinto. La versión más común, y la que usa Google, es un pequeño bucle de metal superconductor enfriado a unos 0,015 grados por encima del cero absoluto, más frío que el espacio exterior pero aquí en la Tierra.

A esa temperatura, la electricidad fluye por el bucle sin resistencia, y se dice que la corriente existe en un estado cuántico.

En el bucle superconductor, la corriente puede fluir en sentido horario (llamémoslo 0) o en sentido antihorario (llamémoslo 1). Pero a escala cuántica, la corriente no tiene por qué elegir una dirección y, de hecho, fluye en ambas direcciones simultáneamente.

No lo confundas con alternar entre las dos muy rápido. La corriente está, de forma medible, experimental y verificable, en ambos estados al mismo tiempo.

Física alucinante

¿Sigues con nosotros? Genial, porque aquí es donde se vuelve realmente extraño, porque la física que explica cómo funciona no es intuitiva de inmediato, y no se supone que lo sea.

Todo con lo que alguien interactúa en la vida diaria obedece a la física clásica, que asume que las cosas están en un lugar en un momento dado. Pero las partículas no se comportan así a escala subatómica.

Un electrón no tiene una posición definida hasta que lo observas. Un fotón no tiene una polarización definida hasta que lo mides. Una corriente en un bucle superconductor no fluye en una dirección definida hasta que la obligas a elegir.

La razón por la que no experimentamos esto en la vida cotidiana es la decoherencia. Cuando un sistema cuántico interactúa con su entorno —moléculas de aire, calor, vibraciones y luz—, la superposición colapsa casi instantáneamente.

Un balón de fútbol no puede estar en dos lugares a la vez porque interactúa con billones de moléculas de aire, polvo, sonido, calor, gravedad, etc., cada nanosegundo. Pero aísla una pequeña corriente en un vacío cercano al cero absoluto, protégela de cualquier perturbación posible, y el comportamiento cuántico sobrevive el tiempo suficiente para calcular con él.

Por eso los ordenadores cuánticos son tan difíciles de construir. Se están diseñando entornos físicos donde las leyes de la física que normalmente impiden que estas cosas ocurran se mantienen a raya el tiempo justo para ejecutar un cálculo.

Las máquinas de Google operan en refrigeradores de dilución del tamaño de habitaciones enormes, más fríos que cualquier cosa en el universo natural, rodeados por capas de blindaje contra el ruido electromagnético, la vibración y la radiación térmica.

Y los qubits son frágiles incluso así. Pierden su estado cuántico constantemente, por eso la “corrección de errores” domina toda conversación sobre cómo escalar.

Así que la computación cuántica no es una versión más rápida de la computación clásica. Está explotando un conjunto distinto de leyes físicas que solo se aplican a escalas extremadamente pequeñas, temperaturas extremadamente bajas y plazos extremadamente cortos.

Ahora súmalo todo.

Dos bits normales pueden estar en uno de cuatro estados (00, 01, 10, 11), pero solo uno a la vez (ya que la corriente fluye en una sola dirección). Dos qubits pueden representar los cuatro estados a la vez, ya que la corriente fluye en todas las direcciones al mismo tiempo.

Tres qubits representan ocho estados. Diez qubits representan 1.024. Cincuenta qubits representan más de un cuatrillón. El número se duplica con cada qubit que se añade, y por eso la escalabilidad es tan exponencial.

El segundo truco es algo llamado entrelazamiento. Cuando dos qubits están entrelazados, medir uno le dice instantáneamente a un observador algo sobre el otro, sin importar lo lejos que estén. Esto permite que un ordenador cuántico coordine todas esas अवस्थas simultáneas de una forma que la computación paralela normal no puede.

Y estos ordenadores cuánticos están configurados para que las respuestas equivocadas se cancelen entre sí (como ondas superpuestas que se aplanan) y las respuestas correctas se refuercen entre sí (como ondas que se apilan más alto). Al final del cálculo, la respuesta correcta tiene la mayor probabilidad de ser medida.

Así que no es velocidad por fuerza bruta. Es un enfoque fundamentalmente distinto del cálculo: uno que permite a la naturaleza explorar un espacio exponencialmente grande de posibilidades y luego colapsar hacia la respuesta correcta mediante la física, no la lógica.

Una amenaza monumental para la criptografía

Esta física alucinante es la razón por la que da tanto miedo para el cifrado.

Las matemáticas que protegen bitcoin se basan en la suposición de que comprobar cada clave posible llevaría más tiempo que la edad del universo.

Pero un ordenador cuántico no comprueba cada clave. Las explora todas simultáneamente y usa la interferencia para hacer aflorar la correcta.

Ahí es donde se conecta con Bitcoin. Ir en una dirección, de clave privada a clave pública, lleva milisegundos. Ir en la otra, de clave pública de vuelta a clave privada, le llevaría a un ordenador clásico un millón de años, o incluso más que la edad del universo. Esa asimetría es lo único que demuestra que una persona está en posesión de sus monedas.

Un ordenador cuántico que ejecute un algoritmo llamado Shor puede atravesar esa trampilla en sentido inverso. El artículo de Google de esta semana mostró que podría hacerlo con muchos menos recursos de los que nadie había estimado previamente, y dentro de un plazo que compite con las propias confirmaciones de bloques de bitcoin.

Por eso la amenaza de que los ordenadores cuánticos rompan el cifrado de blockchain está haciendo que todo el mundo esté realmente muy preocupado.

Cómo funciona ese ataque paso a paso, qué cambió específicamente el artículo de Google y qué significa para los 6,9 millones de bitcoin ya expuestos, es el tema de la próxima entrega de esta serie.