Hacia una computadora cuántica que descifre códigos

Basándose en un algoritmo histórico, los investigadores proponen una forma de crear un circuito de factorización cuántica para criptografía más pequeño y más tolerante al ruido.

El correo electrónico más reciente que envió probablemente fue cifrado usando un método probado y verdadero que se basa en la idea de que incluso la computadora más rápida sería incapaz de dividir de manera eficiente un número gigantesco en factores.

Las computadoras cuánticas, por otro lado, prometen descifrar rápidamente sistemas criptográficos complejos que una computadora clásica nunca podría descifrar. Esta promesa se basa en un algoritmo de factorización cuántica propuesto en 1994 por Peter Shor, quien ahora es profesor en el MIT.

Pero si bien los investigadores han dado grandes pasos en los últimos 30 años, los científicos aún tienen que construir una computadora cuántica lo suficientemente potente como para ejecutar el algoritmo de Shor.

Mientras algunos investigadores trabajan para construir computadoras cuánticas más grandes, otros han estado tratando de mejorar el algoritmo de Shor para que pueda funcionar en un circuito cuántico más pequeño. Hace aproximadamente un año, el científico informático de la Universidad de Nueva York, Oded Regev, propuso una mejora teórica importante. más rápido, pero el circuito requeriría más memoria.

A partir de esos resultados, los investigadores del MIT han propuesto lo mejor de ambos mundos que combina la velocidad del algoritmo de Regev con la eficiencia de la memoria del de Shor. Este nuevo algoritmo es tan rápido como el de Regev y requiere menos bloques de construcción cuánticos conocidos como qubits. , y tiene una mayor tolerancia al ruido cuántico, lo que podría hacerlo más factible de implementar en la práctica.

A largo plazo, este nuevo algoritmo podría contribuir al desarrollo de nuevos métodos de cifrado que puedan resistir el poder de descifrado de códigos de las computadoras cuánticas.

“Si alguna vez se construyen computadoras cuánticas a gran escala, entonces la factorización quedará descartada y tendremos que encontrar algo más que podamos usar para la criptografía. Pero, ¿qué tan real es esta amenaza? ¿Podremos hacer que la factorización cuántica sea práctica? a una implementación práctica”, dice Vinod Vaikuntanathan, profesor de ingeniería de la Fundación Ford, miembro del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) y autor principal de un artículo que describe el algoritmo.

El autor principal del artículo es Seyoon Ragavan, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT. La investigación se presentará en la Conferencia Internacional de Criptología de 2024.

Para transmitir mensajes de forma segura a través de Internet, los proveedores de servicios como clientes de correo electrónico y aplicaciones de mensajería suelen confiar en RSA, un esquema de cifrado inventado por los investigadores del MIT Ron Rivest, Adi Shamir y Leonard Adleman en la década de 1970 (de ahí el nombre de sistema "RSA"). se basa en la idea de que factorizar un entero de 2048 bits (un número con 617 dígitos) es demasiado difícil para una computadora en un tiempo razonable.

Esa idea dio un vuelco en 1994 cuando Shor, que entonces trabajaba en Bell Labs, introdujo un algoritmo que demostró que una computadora cuántica podía factorizar lo suficientemente rápido como para romper la criptografía RSA.

"Ese fue un punto de inflexión. Pero en 1994, nadie sabía cómo construir una computadora cuántica lo suficientemente grande y todavía estamos bastante lejos de lograrlo", dice Vaikuntanathan.

Se estima que una computadora cuántica necesitaría unos 20 millones de qubits para ejecutar el algoritmo de Shor. En este momento, las computadoras cuánticas más grandes tienen alrededor de 1.100 qubits.

Una computadora cuántica realiza cálculos utilizando circuitos cuánticos, al igual que una computadora clásica usa circuitos clásicos. Cada circuito cuántico se compone de una serie de operaciones conocidas como puertas cuánticas. Estas puertas cuánticas utilizan qubits, que son los componentes más pequeños de una computadora cuántica. para realizar cálculos.

Pero las puertas cuánticas introducen ruido, por lo que tener menos puertas mejoraría el rendimiento de una máquina. Los investigadores se han esforzado por mejorar el algoritmo de Shor para que pueda ejecutarse en un circuito más pequeño con menos puertas cuánticas.

Eso es precisamente lo que hizo Regev con el circuito que propuso hace un año.

"Esa fue una gran noticia porque fue la primera mejora real en el circuito de Shor desde 1994", dice Vaikuntanathan.

El circuito cuántico que propuso Shor tiene un tamaño proporcional al cuadrado del número que se factoriza. Eso significa que si se factorizara un número entero de 2.048 bits, el circuito necesitaría millones de puertas.

El circuito de Regev requiere muchas menos puertas cuánticas, pero necesita muchos más qubits para proporcionar suficiente memoria. Esto presenta un nuevo problema.