El encanto de las computadoras cuánticas es, en su corazón, bastante simple: aprovechando los efectos cuánticos contraintuitivos, podrían realizar hazañas computacionales completamente imposibles para cualquier computadora clásica. Pero la realidad es más compleja: hasta la fecha, la mayoría reclamos de “ventaja” cuántica—Un logro de una computadora cuántica que una máquina normal no puede igualar— ha tenido problemas para demostrar que realmente superan las capacidades clásicas. Y muchas de estas afirmaciones implican tareas artificiales de uso práctico mínimo, alimentando las críticas de que la computación cuántica es en el mejor de los casos sobrecargado y en el peor de los casos en un camino a ninguna parte.
Ahora, sin embargo, un equipo de investigadores del JPMorganchase, la firma de computación cuántica Quantinuum, el Laboratorio Nacional de Argonne, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Texas en Austin parece haber mostrado una ventaja genuina que es relevante para los problemas de la vida real de la seguridad en línea. Los resultados del grupo, publicados recientemente en Naturalezaconstruir sobre un Protocolo de certificación anterior—Un forma de verificar que los números aleatorios se generaron justos, desarrollados por UT Austin Informá científico Scott Aaronson y su ex investigador postdoctoral Shih-ha colgado.
Utilizando una computadora cuántica desarrollada por cuantinuo en conjunto con supercomputadoras clásicas o tradicionales en Argonne y Oak Ridge, el equipo demostró una técnica que logra lo que se llama aleatoriedad certificada. Este método genera números aleatorios de una computadora cuántica que luego se verifican utilizando supercomputadoras clásicas, lo que permite que los números aleatorios ahora certificados se usen de forma segura como contaminación para comunicaciones cifradas. La técnica, señala el equipo, genera más aleatoriedad de la que se dedica, una tarea inalcanzable por el cálculo clásico.
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Utilizando el modelo de computadora cuántica fotográfica desarrollado por la firma informática Quantinuum, un equipo de físicos e ingenieros demostró una técnica que logra lo que se llama aleatoriedad certificada.
“Teóricamente, creo que es interesante porque debes reunir muchas herramientas técnicas para hacer que el análisis teórico vuela”, dice Hung, ahora profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad Nacional de Taiwán. “La generación de número aleatorio es una tarea central para la criptografía y los algoritmos modernos. Desea que el cifrado sea seguro y para el [passkey] ser verdaderamente aleatorio “.
Cuando se trata de la seguridad de Internet, la aleatoriedad es un arma, un escudo matemáticamente impenetrable contra los adversarios maliciosos que buscan espiar comunicaciones secretas y manipular o robar datos confidenciales. La autenticación de dos factores utilizada rutinariamente para proteger las cuentas en línea personales es un buen ejemplo: un usuario inicia sesión en un sistema con una contraseña, pero también usa un dispositivo seguro para recibir una cadena de números generados aleatoriamente de una fuente externa. Al ingresar esa cadena, que los adversarios no pueden predecir debido a su aleatoriedad, el usuario verifica su identidad y se le otorga acceso.
“Los números aleatorios se usan en todas partes en nuestras vidas digitales”, dice Henry Yuenun científico informático de la Universidad de Columbia, que no estaba involucrado con el estudio. “Los usamos para asegurar nuestras comunicaciones digitales, ejecutar ensayos controlados aleatorios para pruebas médicas, simulaciones de automóviles y aviones de computadora alimentados; es importante garantizar que los números utilizados para estos se generen aleatoriamente”.
En aplicaciones más criptográficas, por otro lado, no es suficiente simplemente generar números aleatorios. Necesitamos generar resultados aleatorios que sabemos con certeza que son el resultado de un proceso imparcial. “Es importante poder demostrar la aleatoriedad a un escéptico que no confía en el dispositivo que produce la aleatoriedad”, dice Bill Feffermanun informático de la Universidad de Chicago, que no participó en el nuevo trabajo. La implementación de tales protocolos para verificar todos y cada uno de los resultados sería “imposible clásicamente”, dice Fefferman, pero posible con el potencial computacional superior de los dispositivos cuánticos.
“Las computadoras cuánticas y las tecnologías cuánticas ofrecen la única forma de generar y probar de manera confiable la aleatoriedad”, dice Yuen. A diferencia de las computadoras clásicas, que dependen de los “bits” binarios para procesar información, las computadoras cuánticas funcionan en qubitsque puede tener un número infinito de orientaciones posibles cuando existen en un estado de superposición. Estos qubits permiten a las computadoras cuánticas procesar una carga exponencialmente mayor de datos a tasas mucho más rápidas.
La computadora cuántica involucrada en la última demostración utiliza 56 de estos qubits para ejecutar el protocolo desarrollado por Aaronson y Hung. La esencia del procedimiento es relativamente sencilla. Primero, la computadora cuántica tiene un problema complejo que requiere que genere salidas aleatorias, en un proceso llamado muestreo de circuito aleatorio. Para una computadora cuántica lo suficientemente pequeña, generalmente por debajo de 75 qubits, estas salidas se pueden rastrear en las computadoras clásicas para determinar que los resultados no podrían haberse generado clásicamente, explica Christopher Monroeun experto en computación cuántica en la Universidad de Duke, que no participó en el estudio.
Verificar este es el siguiente paso en el protocolo, pero incluye una advertencia adicional: el tiempo. La computadora cuántica debe generar sus salidas más rápido de lo que podrían ser imitados (o “falsificados”) por cualquier método de computación clásica conocido. En la demostración del equipo, el sistema Quantinuum tardó un par de segundos en producir cada salida. Posteriormente, dos supercomputadoras de laboratorio nacional verificaron estos resultados, dedicando en última instancia un total de 18 horas de tiempo informático para generar más de 70,000 bits aleatorios certificados.
Estos bits fueron certificados utilizando una prueba que da los resultados algo llamado puntaje de evaluación comparativa de entorno cruzado (XEB), que verifica cuán “ideal” es la aleatoriedad de las distribuciones. Una puntuación XEB alta junto con un corto tiempo de respuesta significaría que es muy poco probable que un cierto resultado haya sido influenciado por cualquier interferencia de fuentes no confiables. La tarea de simular clásicamente todo ese esfuerzo para falsificar el sistema, según Aaronson, requeriría el trabajo continuo de al menos cuatro supercomputadoras comparables.
“El resultado del [certified randomness test] se rige por la aleatoriedad mecánica cuántica: no es uniformemente aleatorio “, dice Aaronson. Por ejemplo, en el caso de la computadora de 56 quits de Quantinuum, 53 de 56 bits podrían tener mucha entropía o aleatoriedad, y eso sería bien.” Y, de hecho, que no es uniforme es muy importante; Son las desviaciones de la uniformidad las que nos permiten probar eso en primer lugar que sí, estas muestras son buenas. Realmente vinieron de este circuito cuántico “.
Pero el hecho de que estas mediciones deben verificarse adicionalmente con computadoras clásicas pone “límites importantes sobre la escalabilidad y la utilidad de este protocolo”, señala Fefferman. Algo irónicamente, para demostrar que una computadora cuántica ha realizado alguna tarea correctamente, Las supercomputadoras clásicas deben ser traídas para separar su trabajo. Este es un problema inherente para la mayoría de la generación actual de experimentos que buscan probar la ventaja cuántica, dice.
Aaronson también es consciente de esta limitación. “Por exactamente la misma razón por la que creemos que estos experimentos son muy difíciles de falsificar usando una computadora clásica, estás jugando este juego muy delicado donde debes estar, como, como, justo al límite de lo que puede hacer una computadora clásica ”, dice Aaronson.
Dicho esto, este sigue siendo un primer paso impresionante, dice Fefferman, y el protocolo será útil para instancias como loterías públicas o selección de jurado, donde la justicia imparcial es clave. “Si quieres números aleatorios, eso es trivial, solo toma un mostrador de Geiger y ponlo junto a un material radiactivo”, dice Aaronson. “El uso del caos clásico puede estar bien si confía en la configuración, pero no proporciona certificación contra un servidor deshonesto que simplemente ignora el sistema caótico y le alimenta la salida de un generador pseudorandom en su lugar”, agrega Aaronson en una respuesta a un comentario en su comentario sobre su blog sobre el protocolo.
Si el protocolo tendrá realmente un valor práctico dependerá de la investigación posterior, que generalmente es el caso de muchos experimentos de “ventaja cuántica”. “La exageración en el campo es una locura en este momento”, dice Monroe. “Pero hay algo detrás, estoy convencido. Tal vez no hoy, pero creo que a la larga, vamos a ver estas cosas”.
En todo caso, el nuevo trabajo sigue siendo un avance formidable en términos de hardware cuántico, dice Yuen. “Hace unos años estábamos encantados de tener un puñado de qubits de alta calidad en un laboratorio. Ahora cuantinuum ha hecho un procesador cuántico con 56 qubits”.
“La ventaja cuántica no es como aterrizar en la luna, es una declaración negativa”, dice Aaronson. “Es una declaración [claiming that] Nadie puede hacer esto usando una computadora clásica. Luego, la computación clásica puede defenderse … el hardware clásico sigue mejorando, y la gente sigue descubriendo nuevos algoritmos clásicos “.
En ese sentido, la computación cuántica puede ser similar a “un objetivo en movimiento“De alguna manera, Aaronson dice.” Esperamos que, en última instancia, para algunos problemas, esta guerra sea ganada por el lado cuántico. Pero si quieres ganar la guerra, tienes que hacer problemas donde la ventaja cuántica es un poco indiferente, donde es un poco más vulnerable “.