La edición cuántica: ¿Qué diablos es la computación cuántica?

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De The Quantum Issue: Una mirada de alto nivel a la computadora cuántica, qué es en realidad y en qué se diferencia de la computación convencional.

¿Qué es la computación cuántica? ¿En qué se diferencia una computadora cuántica de una computadora normal? ¿Qué relevancia tiene esto para Bitcoin?

Los nuevos Bitcoiners inevitablemente se han topado con estas preguntas y han tenido que enfrentar los problemas que plantean con respecto a la exposición de Bitcoin a lo que es en gran medida una amenaza existencial para su existencia si se desarrollara una computadora cuántica viable.

La capacidad de poseer bitcoin se basa en la suposición fundamental de que, sin filtrar directamente una copia de la misma, nadie más que la persona que posee una clave privada puede firmar para realizar transacciones con las monedas aseguradas por esa clave. La computación cuántica pone en duda esa suposición.

Las computadoras cuánticas no son simplemente "computadoras, pero más rápidas". Funcionan de una manera fundamentalmente muy diferente a una computadora clásica y, como tales, son mucho más eficientes que las computadoras clásicas en tipos muy específicos de cálculos. Ahora, obviamente, no voy a explicar realmente cómo funcionan las computadoras cuánticas con minucioso detalle en cuatro páginas, pero te daré la intuición central de cómo son fundamentalmente diferentes de una computadora clásica.

Así que echemos un vistazo a cómo ambos tipos de computadoras interactúan con cosas como claves criptográficas grandes.

Todo lo almacenado en una computadora clásica (o simplemente computadora de aquí en adelante) se almacena como una serie de 1 y 0. Cada bit (1 o 0) es precisamente un 1 o un 0; no hay ambigüedad. Cuando se almacena un dato, son 1 y 0. Cuando un dato se manipula o modifica, se hace bit a bit, paso a paso, en cada 1 o 0.

Así es como funciona una computadora. De manera lineal, un paso tras otro, modifica las piezas discretas e inequívocas de datos que está almacenando. No puede saltarse pasos ni tomar atajos (en términos de los pasos que está dando, no de formas matemáticamente más eficientes de hacer las cosas), tiene que pasar por los pasos de cualquier cálculo que esté haciendo uno por uno.

Cuando generas una clave privada usando una computadora, esta adquiere un valor aleatorio (tú ingresando dados, entrada general del usuario, aleatoriedad del hardware del dispositivo, etc.) y lo almacena en la memoria como 1 y 0. A partir de ahí tiene que multiplicar este valor por el punto generador de la curva elíptica para obtener una clave pública. Esto se logra con un algoritmo que, reducido a su nivel más básico, es literalmente instrucciones sobre qué bits tomar, cómo modificarlos, por qué circuitos "empujarlos" a nivel físico para lograr eso y, al final, volver a poner en la memoria el nuevo valor que ha sido modificado bit a bit.

Hay otros pasos para llegar a una dirección válida real, pero para los propósitos de este artículo no es necesario entrar en ellos (pero son iguales al paso anterior, solo instrucciones paso a paso sobre cómo modificar 1 y 0 en la memoria).

Entonces, ¿qué pasaría si alguien quisiera usar una computadora para adivinar la clave privada de otra persona?

Hay 2^256 claves privadas posibles. Eso es 115.792.089.237.316.195.423.570.985.008.687.907.853.269.984.665.640.564.039.457.584.007.913.129.639.936 claves posibles diferentes.

Una computadora tendría que probar cada una de esas posibles claves privadas, una tras otra (o tantas a la vez como pueda hacer en paralelo), paso a paso siguiendo las instrucciones exactas anteriores para generar claves. Cuantas más intentes verificar en paralelo, más poder de cómputo necesitas, sin capacidad de encontrar atajos alrededor de ese costo.

Cuanto menos poder de cómputo quieras usar, más tiempo tomará; cuanto menos tiempo quieras que tome, más poder de cómputo necesitas.

Esta es una tarea imposible de lograr con una computadora. Por un lado tienes un costo de cómputo que todas las computadoras de la Tierra juntas no son suficientes para pagar, y por otro lado tienes un costo en tiempo tan alto que todas las estrellas del universo morirían antes de que las verificaras todas.

Para lograr realmente tu objetivo, necesitas otra opción además de verificar una por una de forma lineal o en paralelo. Ahí es donde entra la computación cuántica.

Las computadoras cuánticas no trabajan con estados discretos. Todo es precisamente un 1 o un 0. La pieza de información más básica en una computadora cuántica es un cúbit (la versión cuántica de un bit). A diferencia de un bit, un cúbit está en una superposición donde es simultáneamente un 1 y un 0. Solo se asienta en uno u otro estado discreto cuando es observado. 

Este es uno de los bloques de construcción clave que permiten que una computadora cuántica compute de manera diferente. El otro es el entrelazamiento. Los cúbits no solo se almacenan en aislamiento, los átomos físicos que los representan y colapsan a un estado discreto cuando son observados están entrelazados entre sí. Esto significa que cuando los átomos entrelazados son observados y colapsan a un solo estado, los átomos entrelazados colapsan al mismo estado, sin importar cuán lejos estén. 

Ahora aquí es donde las cosas se ponen extrañas, y voy a tener que ser un poco impreciso; aun así deberías salir con una comprensión intuitiva de por qué las computadoras cuánticas son fundamentalmente diferentes de una computadora clásica. Un algoritmo en una computadora clásica es un conjunto de instrucciones para tomar un conjunto específico de bits, y paso a paso modificarlos según las instrucciones del algoritmo, hasta terminar y producir el conjunto final de nuevos bits. Así que el algoritmo paso a paso toma un estado discreto y lo convierte en otro. 

Los cúbits no almacenan estados discretos hasta que son observados y colapsan a uno. Almacenan probabilidades. Cuando tienes un conjunto de cúbits entrelazados de cualquier tamaño dado (como en este caso hipotético 2 256 ), cada estado posible al que pueda colapsar tiene una cierta probabilidad de colapsar a ese estado dado. 

Los algoritmos cuánticos, en lugar de ser instrucciones paso a paso para operar sobre estados discretos, son un conjunto de instrucciones sobre cómo operar sobre esos cúbits entrelazados de una manera que altere las probabilidades de diferentes resultados. La interferencia constructiva se usa para aumentar la probabilidad de un resultado correcto, y la interferencia destructiva para disminuir la probabilidad de resultados incorrectos (nota que esto NO es el ruido o interferencia que dificulta que las computadoras cuánticas físicas funcionen con precisión, ese es un concepto diferente). 

Así que mientras una computadora clásica tendría que verificar cada clave privada individual una por una para encontrar la que coincida con una clave pública específica, una computadora cuántica puede simplemente ejecutarse unas pocas veces usando el algoritmo correcto y llegar a la respuesta correcta. No lo hace “verificando todas las posibilidades a la vez”. Simplemente modifica las probabilidades de en qué colapsará una superposición. 

Esta es la razón por la que una computadora cuántica podría romper los supuestos subyacentes a la criptografía de curva elíptica, y una computadora clásica no podría (y también es la razón por la que las computadoras cuánticas solo son útiles para ciertos tipos de cálculos con un espacio masivo de posibles candidatos de respuesta a verificar). 

Esta diferencia fundamental entre la computación clásica y la cuántica significa que, sí, si se produce realmente una computadora cuántica viable, que funcione correctamente, entonces el supuesto subyacente que asegura el bitcoin individual de todos los Bitcoiners está roto. Todos esos fondos son inseguros. 

Sí, este es un riesgo serio si tal dispositivo se fabrica realmente, y funciona, pero no estamos del todo desprevenidos. Entendemos el problema, entendemos la exposición, y un buen número de posibles soluciones a muchas facetas diferentes del problema están convergiendo. 

Respira, y relájate. A lo largo del resto de este número te guiaremos a través de todo el problema. 

Esta pieza aparece en la última edición impresa de Bitcoin Magazine, The Quantum Issue. La compartimos aquí como un adelanto de las ideas exploradas a lo largo de todo el número.

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