Computación digital, ¿el fin de una era?
Computación digital, ¿el fin de una era?
O como la revolución de los ordenadores cuánticos lo cambiará todo
¡Bienvenido una vez más a la newsletter de Innovation by Default💡! Al habla Álex Fuenmayor (@adefuros).
La semana pasada discutimos en profundidad los riesgos emergentes en el ámbito de la criptografía, centrándonos especialmente en la amenaza que representa la computación cuántica. Actualmente, los algoritmos criptográficos como RSA son considerados virtualmente inquebrantables con la tecnología clásica. Sin embargo, la llegada de la computación cuántica podría cambiar radicalmente este escenario.
La computación cuántica, con su capacidad de procesar información a velocidades y con eficiencias inimaginables para los ordenadores actuales, podría romper algoritmos como RSA en un tiempo relativamente corto. Este avance no solo pondría en riesgo la privacidad de las comunicaciones actuales, sino que también expondría secretos bien guardados por empresas y gobiernos. Documentos confidenciales, transacciones financieras y comunicaciones sensibles podrían quedar accesibles y ser divulgados públicamente, lo que representaría un cambio tectónico en el paisaje de la seguridad global.
La posibilidad de que los hackers, organizaciones de cibercriminales o goviernos de dudosa reputación accedan a esta tecnología antes que el resto de empresas e instituciones añade otra capa de preocupación.
Los ciberdelincuentes, atraidos por la capacidad de generar dinero fácil, en un segmento tecnológico donde las restricciones regulatorias y la éticas de los gobiernos y las empresas no existe una posición clara, podrían poner a los ciberdelincuentes en mejor posicion desde la que explotar las debilidades que la computación cuántica será capaz de eliminar de los sistemas criptográficos actuales.
Cuando la computación cuántica de uso general llegue, las instituciones tradicionales podrían verse en una carrera desesperada por actualizar sus mecanismos de seguridad.
Hasta que se desarrollen e implementen nuevos métodos criptográficos resistentes a la computación cuántica o basado en la misma, nuestras comunicaciones seguirán siendo vulnerables. Esto nos lleva a reflexionar sobre la importancia de la innovación continua y la adopción rápida de tecnologías avanzadas en la seguridad informática. La colaboración internacional, la inversión en investigación y el desarrollo de normativas robustas serán cruciales para preparar nuestras infraestructuras digitales para este nuevo paradigma.
Por no hablar de la regulación, tan en boga con la IA generativa. Sin embargo, los daños potenciales causados por la ruptura de la criptografía tradicional provocarían la revelación de secretos y aspectos geopolíticos que muchos de nosotros no estamos preparados todavía para conocer.
En resumen, mientras la computación cuántica promete avances significativos en múltiples campos, también representa una amenaza considerable para la criptografía y la estructura geopolítica actual. Nos encontramos en una encrucijada donde la anticipación y preparación serán esenciales para proteger nuestros datos y mantener la confidencialidad en la era cuántica que se avecina.
Si algo podríamo tenr claro en este momento, es que el futuro de la seguridad informática está lleno de incertidumbres, y seguramente los riesgos asociados al desarrollo de esta tecnología, de momento son seguramente más altos que el desarrollo tecnológico de la Intelegencia Artificial.
Así que no dejes de leer, acompáñame en este recorrido por la historia de la computación cúantica en Innovation by Default💡. ¡Comencemos!
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Aprendiendo con Michio Kaku
Si alguna vez has visto The Big Bang Theory, probablemente habrás escuhado algo sobre la física cuántica y su jerga, como los universos paralelos y el gato de Schrödinger. Para muchos como yo, la física cuántica parece estár más allá de mi ámbito de comprensión.
Pero el objetivo de la edición de esta semana es cambiar esa opinión. No sólo es posible y fácil comprender las implicaciones prácticas de la física cuántica en nuestro mundo, sino que además es importante. El reino cuántico no es sólo un tema para las historias de ciencia ficción. De hecho, ahora mismo está en boga.
Sin ir mucho más lejos, el futuro de la informática, y por tanto del mundo, es cuántico. Dadas las posibilidades para la humanidad en términos de combustible, medicina y economía, los avances en computación cuántica son algo a lo que todo el mundo debería prestar atención.
SEsta semana, nos sumergimos en las ideas del libro “Quantum Supremacy” (2023) del Dr. Michio Kaku. Las explicaciones y ejemplos de este libro hace que la comprensión de los hechos y la teoría que hay detrás de los ordenadores cuánticos sea accesible y fácil de entender para todo el mundo. También se recorre la historia del ordenador moderno y plantea un futuro en el que la computación cuántica resolverá los retos de la humanidad que son una quimera hoy en día incluso con el más potente de los superordenadores modernos.
El Dr. Michio Kaku es una de los científicos y divulgadores sobre las físca más afamados, desde que construyó un acelerador de partículas en el garaje de casa de sus padres para la feria de ciencias de su instituto. Desde entonces, se ha consolidado como un físico de talla mundial y cocreador de la teoría de campos de cuerdas. Es catedrático de física teórica en la City University of New York y autor de los éxitos de ventas internacionales como Hiperespacio, Visiones y Más allá de Einstein.
Adiós al Silicio
Desde hace décadas el silicio ha sido la pieza clave de la informática, sustento del transistor, dispositivo que revolucionó la electrónica y en parte, responsable de este mundo digital que vivimos en nuestros días.
En 2019, Google creó un ordenador cuántico llamado Sycamore que resolvió en 200 segundos un problema que tomaría 10.000 años a un superordenador actual de silicio. Sycamore funcionaba con 53 qubits y era entonces el ordenador más potente del mundo.
Dos años después, el Instituto de Innovación Cuántica de China presentó un ordenador 100 billones de veces más rápido, con 113 qubits. Luego, IBM lanzó Eagle con 127 qubits y un año después Osprey con 433 qubits.
Sí, has escuchado bien, qubits, en lugar de bits. Un qubit, o bit cuántico, es la unidad básica de información en la computación cuántica, similar a lo que es un bit en la computación clásica. Pero, a diferencia de un bit clásico que solo puede ser 0 o 1, un qubit puede ser 0, 1 o ambos al mismo tiempo. Esto se debe a una propiedad especial llamada superposición.
Imagina que tienes una moneda. En la computación clásica, la moneda puede estar solo de un lado: cara (0) o cruz (1). En la computación cuántica, es como si la moneda pudiera estar girando en el aire, mostrando cara y cruz al mismo tiempo. Esto le permite a los ordenadores cuánticos procesar mucha más información de manera mucho más rápida.
Además, los qubits tienen otra propiedad genial llamada entrelazamiento. Cuando dos qubits están entrelazados, el estado de uno está ligado al estado del otro, sin importar la distancia entre ellos. Es como si tuvieran una conexión mágica.
Y gracias a estas propiedades, llegara un día donde la supremacía cuántica se alcanzará, sera ese momento donde un ordenador cuántico supera a uno digital en una tarea específica. Está claro que ya hemos llegado a este punto, pero apenas hemos comenzado a explorar su potencial.
La informática cuántica utiliza átomos entrelazados o haces de luz para enviar información. Sin embargo, estamos lejos de tener un ordenador cuántico operativo para resolver problemas reales, más abajo te explico por qué.
La era del silicio parece estar llegando a su fin. La Ley de Moore, que establece que el número de transistores en un microchip se duplica cada 18 meses, se está volviendo obsoleta. Los ordenadores digitales están alcanzando su límite en resolver problemas a gran escala rápidamente. Los ordenadores cuánticos, con su velocidad y capacidad de análisis simultáneo, pueden llevarnos a una nueva era.
Dos factores clave hacen a los ordenadores cuánticos tan potentes:
Superposición: la capacidad de un átomo de existir en múltiples estados simultáneamente, permitiendo resolver problemas rápidamente.
Entrelazamiento: cuando dos átomos interactúan y comparten información incluso a gran distancia.
La coherencia es el principal reto. Para funcionar, un sistema cuántico debe ser completamente estable, y los átomos son frágiles. Los ordenadores cuánticos necesitan estar a temperaturas de cero absoluto. Sin embargo, la naturaleza logra coherencia a temperaturas normales en la fotosíntesis, lo que los científicos estudian para replicar en ordenadores.
Antes de hablar de las aplicaciones prácticas, es importante entender cómo hemos llegado hasta aquí.
Dos mil años de ordenadores
En 1901, frente a las costas de una isla griega llamada Anticitera, unos investigadores descubrieron los restos de un barco comercial del siglo I. En ese barco encontraron artefactos romanos que, según especulan, fueron enviados como regalo a Julio César.
Entre esos artefactos había un extraño trozo de bronce. Era claramente artificial, pero imposible de identificar en el momento de su descubrimiento. De hecho, este trozo de metal mantuvo confundidos a los investigadores durante décadas. En la década de 1970, se utilizaron imágenes de rayos X para investigar el artefacto, pero no fue hasta que se publicaron las tomografías computarizadas en 2006 que los investigadores empezaron a reconocer las implicaciones del artefacto.
Lo que ahora se conoce como Mecanismo de Anticitera proporcionaba una simulación muy compleja del universo tal y como se conocía en la época. El dispositivo podía hacer predicciones sobre acontecimientos como eclipses e incluso podía calibrarse en previsión de cambios de velocidad debidos a la órbita elíptica de la Tierra.
La simulación es el objetivo principal de la computación cuántica, tambien de la tradicional, solo hemos de mirar a OpenAI, están desarrollando un modelo del mundo a través de su modelo SORA. Cuando podamos simular el mundo que nos rodea hasta el nivel cuántico, podremos empezar a analizar algunos de los muchos problemas que nos han acompañado desde el origen de nuestros días.
Ningún dispositivo se acercó al avance técnico del dispositivo de Anticitera -y mucho menos se basó en él- hasta el siglo XIX. Fue entonces cuando Charles Babbage inventó el primer ordenador digital. Ada Lovelace, hija de Lord Byron, descubrió cómo alimentar el ordenador con información para que realizara complicadas tareas matemáticas esenciales en sectores como la construcción o la navegación. Fue esencialmente la primera programadora.
Hacia 1900, las cosas se aceleraban, Max Planck desafió a la física newtoniana y creó lo que ahora se llama la constante de Planck, que representa el tamaño de la energía cuántica. Esta constante se convertiría en el fundamento de la mecánica cuántica y la teoría cuántica.
En 1926, Erwin Schrödinger creó una ecuación de ondas a partir de la constante de Planck. En lugar de ver a los electrones como partículas, Schrödinger sugirió que existen como una onda. En otras palabras, un electrón existe en muchos lugares a la vez hasta el momento en que se mide, que es cuando la onda se colapsa y se convierte en una partícula.
Para ilustrar esta idea, se creó la analogía del gato de Schrödinger. Mientras el gato está en la caja, se puede considerar que está muerto, vivo y en todos los estados intermedios, hasta que es observado. En ese momento, todos los estados del gato colapsan en el medible.
Diez años después, en 1936, Alan Turing describió lo que acabaría convirtiéndose en la máquina de Turing, la base de toda la informática moderna. Su máquina ayudó a descifrar los códigos indescifrables utilizados por los nazis durante la Segunda Guerra Mundial. Gracias a ella, la guerra se acortó dos años y se salvaron unos 14 millones de vidas.
En 1948, Richard Feynman finalizó su formulación de la integral de trayectoria. Antes, los científicos habían observado en la fotosíntesis que las partículas cuánticas tienden a seguir el camino de menor acción. Pero, ¿cómo "sabían" las partículas cuál era ese camino? Feynman respondió a esa pregunta. Postuló que, como los electrones existen en ondas, son capaces de experimentar todos los caminos a la vez.
Esta idea llevó a Feynman a crear su formulación de la integral de trayectoria. Isaac Newton había inventado el cálculo para resolver problemas relacionados con el movimiento. La formulación de la integral de trayectoria resolvía esos mismos problemas de una forma mucho más sencilla y allanó el camino para nuevos descubrimientos cuánticos.
Si la descripción de la formulación integral de la trayectoria le resulta familiar, probablemente sea porque ya hemos hablado de cómo los ordenadores cuánticos pueden experimentar y analizar todas las posibilidades simultáneamente antes de elegir la mejor solución. Todo lo que crearon estos científicos e inventores del pasado ha conducido al desarrollo de lo que hoy conocemos como ciencia cuántica.
Hay que añadir un nombre más a esta estimada lista, el de Hugh Everett. Durante mucho tiempo, los científicos discutieron sobre la teoría ondulatoria y la idea de que una onda colapsaba en una única realidad cuando se medía. Hasta que Everett propuso que tal vez la onda no se colapsaba, sino que todas las versiones de la realidad experimentada por la onda existían simultáneamente.
Así que, si le gusta el multiverso de los cómics o cualquier otra ficción que explore dimensiones paralelas, Everett es el hombre al que debe dar las gracias.
De acuerdo, aunque la teoría de los muchos mundos es un buen entretenimiento, es un tema serio para los físicos cuánticos y se sigue explorando en la actualidad. Así que volvamos a entender cuál podría ser el valor de todos estos avances cuánticos en un futuro próximo.
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Las dos caras de la moneda del avance tecnológico
En 1918, Fritz Haber ganó el Premio Nobel de Química por inventar un proceso que utilizaba calor intenso y presión para convertir el nitrógeno en fertilizante de nitrato. Como resultado, se inició una revolución verde que produjo alimentos suficientes para que la especie humana alcanzara los 8.000 millones de habitantes que tiene hoy.
Pero Fritz Haber también es conocido por otro nombre: el padre de la guerra química. Sus inventos fueron responsables de millones de muertes durante la Primera Guerra Mundial, la Revolución Rusa y el Holocausto.
Hoy en día, ese proceso burdo y devorador de recursos que es la fijación del nitrógeno, inventado por primera vez por Haber, está siendo cuestionado por los científicos cuánticos.
Gracias a estos dos avances, ahora comprendemos mejor los componentes básicos de la vida.
En 1952, Stanley Miller creó un experimento que utilizaba muchos de los elementos que se creía que existían en la Tierra prehistórica, junto con una descarga de electricidad, y fue capaz de producir espontáneamente aminoácidos. Ahora sabemos, gracias a simulaciones que utilizan los elementos que se encuentran en las nubes de gas del espacio, que es probable que los aminoácidos existan en el espacio y que hayan llegado aquí en el polvo de meteoritos.
El segundo avance fue el de Francis Crick y James Watson. En su libro de 1944 titulado ¿Qué es la vida? Schrödinger describía las características de una molécula desconocida que explicaría el desarrollo de la vida tal como la conocemos. Crick y Watson llevaron su idea más allá e identificaron la forma de doble hélice del ADN.
Gracias a todos estos inventos y descubrimientos, conocemos las piezas y los procesos necesarios para producir la energía que sustenta la vida. Pero aún quedan muchos obstáculos por superar. Al igual que el rudimentario proceso de Haber para la fijación del nitrógeno, muchos de nuestros intentos de conseguir energía limpia se obtienen en realidad por medios insostenibles, y nuestros esfuerzos de descubrimiento se siguen haciendo en gran medida por ensayo y error.
Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de resolver problemas como la fijación del nitrógeno y el aprovechamiento de la luz solar. Esperemos que la informática cuántica no tarde mucho en producir una segunda revolución verde.
El cáncer un enigma pendiente de resolver
El 23 de diciembre de 1971, el Presidente Richard Nixon firmó la Ley Nacional contra el Cáncer. El problema del cáncer es que procede de demasiadas variables diferentes como para poder identificarlo y detenerlo fácilmente.
El cáncer no es un invasor extraño; lo crean nuestras propias células sanas. Una vez que alcanzamos la edad adulta, algunas células están programadas para morir mientras otras se dividen. En el caso del cáncer, las células sanas se olvidan de morir y se reproducen a un ritmo alarmante.
Hay muchas enfermedades causadas por el propio organismo en lugar de por invasores extraños. Por ejemplo, el COVID-19. Las muertes asociadas al COVID-19 no se debieron a los síntomas del virus, sino a la tormenta de citoquinas creada por el descontrol del sistema inmunitario.
Otro ejemplo de cómo el cuerpo se vuelve contra sí mismo es el de las enfermedades autoinmunes, que se producen cuando el organismo recibe información errónea sobre una partícula por lo demás sana y empieza a atacarse a sí mismo.
El Alzheimer y otros trastornos neurológicos pueden ser el resultado de algo llamado priones, que son proteínas mal plegadas. Nadie sabe por qué una proteína se pliega mal, pero cuando lo hace, puede enviar esa información a otras proteínas, propagando el trastorno.
Los avances tecnológicos han mejorado nuestra calidad y duración de vida. Desde la sanidad hasta los antibióticos y las vacunas, pasando por una mejor nutrición, hemos llevado a la raza humana de una esperanza de vida de aproximadamente 30 años a una de 70, y también hemos mejorado la calidad general de esa esperanza de vida. Pero lo hemos hecho en gran medida por ensayo y error.
Cuando se trata de enfermedades como el cáncer y el Alzheimer, en las que hay tantos factores en juego que puede que nunca seamos capaces de encontrar respuestas por nosotros mismos, los ordenadores cuánticos pueden salvarnos.
Hasta el infinito y más allá
Centrémonos ahora en el cambio climático y el espacio.
Muchas de las teorias sobre el cambio climatico, residen en la hipótesis de que la Tierra se está calentando como consecuencia del comportamiento humano. Este fenómeno está creando diversos problemas. Uno de ellos es la liberación del gas de efecto invernadero metano debido al deshielo de los casquetes polares. Al liberarse, contribuye a un mayor calentamiento global.
Otra consecuencia del cambio climático es que el vórtice polar se está volviendo inestable. Esta zona de aire frío y baja presión en los polos siempre está ahí, pero es más fuerte en invierno. En las últimas décadas, se ha expandido, empujando hacia el sur un clima más frío e impredecible.
Las consecuencias del cambio climático van desde leves inconvenientes hasta catastróficas, y lo cierto es que ya no podemos evitar el desastre, sólo podemos mitigarlo.
Por desgracia, también estamos llegando al límite de lo que los ordenadores digitales pueden hacer en cuanto a predecir patrones meteorológicos y evaluar el cambio climático. Los ordenadores cuánticos, en cambio, pueden proporcionar informes meteorológicos virtuales que podrían alterar el futuro de la humanidad. Su capacidad para evaluar simultáneamente muchas trayectorias significa que pueden generar más rápidamente predicciones precisas sobre situaciones meteorológicas a corto y largo plazo.
Más allá de nuestro clima, hay otra aplicación importante de los ordenadores cuánticos, y es la capacidad de comprender las estrellas.
En 1859 se produjo en la Tierra la mayor erupción solar de la historia. El resultado fue una aurora boreal de gran belleza, pero también el incendio de cables de telégrafo.
Hoy en día, si se produjera esa misma tormenta, podríamos retroceder 150 años, no sólo interrumpiendo nuestras comunicaciones por satélite y radio, sino también destruyendo por completo las redes eléctricas.
El gran problema es que no entendemos cómo funcionan las estrellas ni qué causa las diferentes intensidades de las tormentas solares, por lo que no tenemos medios para predecirlas y prepararnos para ellas. Gracias a su capacidad para simular el universo, los ordenadores cuánticos podrían ayudarnos a comprender mejor nuestro sol y a que no nos pille desprevenidos una erupción solar inesperada.
Estos ordenadores también pueden ayudarnos a embotellar la energía del sol. El estado actual de los reactores de fusión avanza. En diciembre de 2022, se logró una reacción de fusión mayor que la cantidad de energía necesaria para crear esa reacción.
Pero todavía estamos al menos a varias décadas de distancia de comercializar la fusión y alimentar nuestro mundo con ella. El problema es que tenemos que resolver todo esto por ensayo y error. Y el gasto que supone fracasar es prohibitivo. Los ordenadores cuánticos pueden ayudarnos a encontrar más rápidamente el mejor camino, simulando todas las posibilidades y mostrándonos la correcta.
Cuando podamos comprender mejor nuestro planeta y nuestro universo, no sólo podremos mejorar la vida y la longevidad de nuestro planeta, sino que podremos convertirnos realmente en una especie interplanetaria.
Food for thought
Los ordenadores cuánticos ya son una realidad, están mejorando rápidamente, pero todavía queda mucho para su desarrollo en serie.
Todavía tenemos mucho donde avanzar, hay muchos problemas técnicos que resolver para poder ver estos ordenadores en los centros de datos de las universidades o en la nube. Su coste, sistemas de refrigeración, estabilidad, estándares y arquitecturas pendientes de implementar,…
Si algo podemos llevarnos de la lectura de esta semana, es que no sólo hay ordenadores en funcionamiento que descifran códigos y realizan ecuaciones complejas a velocidades inauditas, sino que también existen diferentes formas de ellos. Gracias al salto cuántico dado por los algoritmos de inteligencia artificial de los últimos años, así como de la computación en paralelo de las GPUs, hemos podido crear nuevas arquitecturas y modelos computacionales, esquivando el tan temido agotamiento de la Ley de Moore.
Los ordenadores cuánticos son la progresión natural de una corta y rápida serie de descubrimientos e inventos de científicos como Erwin Schrodinger, Richard Feynman y Hugh Everett.
Pero, depende de nuestra capacidad para llevar los ordenadores cuánticos al siguiente nivel nuestro futuro como especie, gracias a la resolución de problemas actuales como la lucha contra el cambio climático o la cura del cáncer.