Revista Bitcoin
El tema cuántico: ¿Qué demonios es la computación cuántica?
¿Qué es la computación cuántica? ¿En qué se diferencia una computadora cuántica de una computadora normal? ¿Qué relevancia tiene esto para Bitcoin?
Los nuevos usuarios de Bitcoin se han encontrado inevitablemente con estas preguntas y han tenido que enfrentarse a los problemas que plantean respecto a la exposición de Bitcoin a una amenaza muy real y existencial para su supervivencia, en caso de que se desarrollara una computadora cuántica viable.
La capacidad de poseer bitcoin se basa en la premisa fundamental de que, sin filtrar directamente una copia de la clave privada, nadie más que quien la posee puede firmar transacciones con las monedas protegidas por esa clave. La computación cuántica pone en duda esa premisa.
Las computadoras cuánticas no son simplemente «computadoras, pero más rápidas». Funcionan de una manera fundamentalmente distinta a las computadoras clásicas y, por eso, son mucho más eficientes que estas en tipos muy específicos de cálculos. Obviamente, no voy a explicar con todo detalle cómo funcionan las computadoras cuánticas en apenas cuatro páginas, pero sí te daré una idea básica de en qué se diferencian fundamentalmente de una computadora clásica.
Así que veamos cómo interactúan ambos tipos de computadoras con cosas como las claves criptográficas grandes.
Computadoras clásicas
Todo lo que se almacena en una computadora clásica (o simplemente computadora, de aquí en adelante) se guarda como una serie de unos y ceros. Cada bit (1 o 0) es exactamente un 1 o un 0; no hay ambigüedad. Cuando se almacena un dato, se guarda como una serie de 1 y 0. Cuando se manipula o modifica un dato, se hace bit a bit, paso a paso, con cada 1 o 0.
Así es como funciona una computadora. Modifica de forma lineal, un paso tras otro, los fragmentos discretos e inequívocos de datos que almacena. No puede saltarse pasos ni tomar atajos (en cuanto a los pasos que realiza, no a formas matemáticamente más eficientes de hacer las cosas): tiene que recorrer uno por uno los pasos del cálculo que esté realizando.
Cuando generas una clave privada usando una computadora, esta obtiene un valor aleatorio (por ejemplo, al introducir el resultado de unos dados, mediante la entrada general del usuario o usando la aleatoriedad del hardware del dispositivo, etc.) y lo almacena en la memoria como una serie de 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 mediante un algoritmo que, reducido a su nivel más básico, consiste literalmente en instrucciones sobre qué bits tomar, cómo modificarlos y por qué circuitos «hacerlos pasar» a nivel físico para lograrlo; al final, el nuevo valor, modificado bit a bit, se vuelve a guardar en la memoria.
Hay otros pasos para obtener una dirección válida, pero no hace falta explicarlos para los fines de este artículo (aunque son como el paso anterior: instrucciones paso a paso para modificar los 1 y 0 de la memoria).
Entonces, ¿qué pasaría si alguien quisiera usar una computadora para adivinar la clave privada de otra persona?
Hay 2256 claves privadas posibles. Eso equivale a 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 claves privadas posibles, una tras otra (o tantas como pueda procesar en paralelo), paso a paso, siguiendo las instrucciones exactas anteriores para generar claves. Cuantas más claves intentes comprobar en paralelo, más potencia de cómputo necesitarás, sin posibilidad de encontrar atajos para reducir ese costo.
Cuanta menos potencia de cómputo quieras usar, más tiempo tardarás; cuanto menos tiempo quieras tardar, más potencia de cómputo necesitarás.
Esta es una tarea imposible de realizar con una computadora. Por un lado, el costo de cómputo supera lo que todas las computadoras de la Tierra juntas pueden asumir; por otro, el tiempo necesario es tan grande que todas las estrellas del universo morirían antes de que pudieras comprobarlas todas.
Para alcanzar realmente tu objetivo, necesitas otra opción además de comprobarlas una por una, de forma lineal o en paralelo. Ahí es donde entra en juego la computación cuántica.
Computadoras cuánticas
Las computadoras cuánticas no funcionan con estados discretos. Todo es exactamente un 1 o un 0. La unidad de información más básica de 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 a la vez un 1 y un 0. Solo se establece en uno u otro de los estados discretos cuando es observado.
Este es uno de los componentes clave que permiten que una computadora cuántica realice cálculos de manera diferente. El otro es entrelazamiento. Los cúbits no se almacenan simplemente de forma aislada: los átomos físicos que los representan y que colapsan en un estado discreto al ser observados están entrelazados juntos. Esto significa que, cuando se observan los átomos entrelazados y colapsan en un único estado, los átomos entrelazados colapsan en el mismo estado, sin importar lo lejos que estén.
Ahora es cuando las cosas se ponen raras, y voy a tener que explicarlo de forma un tanto imprecisa; aun así, deberías terminar con una comprensión intuitiva de por qué las computadoras cuánticas son fundamentalmente distintas de las clásicas. Un algoritmo en una computadora clásica es un conjunto de instrucciones para tomar un conjunto específico de bits y modificarlos paso a paso según las instrucciones del algoritmo, hasta terminar y mostrar el conjunto final de bits nuevos. Así que el algoritmo transforma paso a paso un estado discreto en otro.
Los cúbits no almacenan estados discretos hasta que se observan y colapsan en uno. Almacenan probabilidades. Cuando tienes un conjunto de cúbits entrelazados de cualquier tamaño (como en este caso hipotético, 2256), cada estado posible en el que pueden colapsar tiene una determinada probabilidad de colapsar en ese estado.
Los algoritmos cuánticos, en lugar de ser instrucciones paso a paso para operar sobre estados discretos, son un conjunto de instrucciones sobre cómo operar con esos cúbits entrelazados de manera que alteren las probabilidades de los distintos resultados. La interferencia constructiva se utiliza para aumentar la probabilidad de obtener el resultado correcto, y interferencia destructiva para disminuir la probabilidad de obtener resultados incorrectos (ten en cuenta que esto NO es el ruido o la interferencia que dificulta el funcionamiento preciso de las computadoras cuánticas físicas; ese es un concepto diferente).
Así que, mientras que una computadora clásica tendría que comprobar una por una todas las claves privadas para encontrar la que coincide con una clave pública específica, una computadora cuántica puede simplemente ejecutarse unas cuantas veces con el algoritmo adecuado y llegar a la respuesta correcta. No lo hace «comprobando todas las posibilidades a la vez». Simplemente modifica las probabilidades de aquello en lo que colapsará una superposición.
Por eso una computadora cuántica podría quebrantar los supuestos en los que se basa la criptografía de curva elíptica, cosa que una computadora clásica no podría hacer (y también por eso las computadoras cuánticas solo son útiles para ciertos tipos de cálculos con un enorme espacio posible de candidatos a respuesta que comprobar).
Que no cunda el pánico
Esta diferencia fundamental entre la computación clásica y la cuántica significa que sí: si realmente se construye una computadora cuántica viable que funcione correctamente, se quebrantará el supuesto fundamental que protege los bitcoins individuales de todos los bitcoiner. Todos esos fondos estarán desprotegidos.
Sí, esto supone un riesgo grave si un dispositivo de este tipo llega a fabricarse y funciona, pero no estamos del todo desprevenidos. Entendemos el problema y el grado de exposición, y se están perfilando bastantes soluciones posibles para los distintos aspectos del problema.
Respira y relájate. A lo largo del resto de este número te explicaremos todo el problema.
Este artículo aparece en la edición impresa más reciente de Bitcoin Magazine, The Quantum Issue. Lo compartimos aquí como adelanto de las ideas que se exploran en el número completo.
Esta publicación, «The Quantum Issue: ¿Qué demonios es la computación cuántica?», apareció primero en Bitcoin Magazine y está escrita por Shinobi.
Fuente: BitcoinMagazine
