Se espera que las computadoras cuánticas sean disruptivas y tengan un impacto potencial en muchos sectores de la industria. Entonces, investigadores del Reino Unido y los Países Bajos decidieron explorar dos problemas cuánticos muy diferentes:romper el cifrado de Bitcoin (una moneda digital) y simular la molécula responsable de la fijación biológica de nitrógeno.

En AVS Quantum Science , los investigadores describen una herramienta que crearon para determinar qué tan grande debe ser una computadora cuántica para resolver problemas como estos y cuánto tiempo llevará.

"La mayoría del trabajo existente dentro de este ámbito se centra en una plataforma de hardware en particular, dispositivos superconductores, como los que IBM y Google están trabajando", dijo Mark Webber, de la Universidad de Sussex. "Las diferentes plataformas de hardware variarán mucho en cuanto a las especificaciones clave del hardware, como la tasa de operaciones y la calidad del control de los qubits (bits cuánticos)".

Muchos de los casos de uso de ventajas cuánticas más prometedores requerirán una computadora cuántica con corrección de errores. La corrección de errores permite ejecutar algoritmos más largos al compensar los errores inherentes dentro de la computadora cuántica, pero tiene el costo de más qubits físicos.

Extraer nitrógeno del aire para producir amoníaco para fertilizantes consume mucha energía, y las mejoras en el proceso podrían afectar tanto la escasez mundial de alimentos como la crisis climática. La simulación de moléculas relevantes actualmente está más allá de las capacidades incluso de las supercomputadoras más rápidas del mundo, pero debería estar al alcance de las computadoras cuánticas de próxima generación.

"Nuestra herramienta automatiza el cálculo de la sobrecarga de corrección de errores en función de las especificaciones clave del hardware", dijo Webber. "Para hacer que el algoritmo cuántico se ejecute más rápido, podemos realizar más operaciones en paralelo agregando más qubits físicos. Introducimos qubits adicionales según sea necesario para alcanzar el tiempo de ejecución deseado, que depende de manera crítica de la tasa de operaciones a nivel de hardware físico".

La mayoría de las plataformas de hardware de computación cuántica son limitadas, porque solo los qubits que están uno al lado del otro pueden interactuar directamente. En otras plataformas, como algunos diseños de iones atrapados, los qubits no están en posiciones fijas y, en cambio, se pueden mover físicamente, lo que significa que cada qubit puede interactuar directamente con un amplio conjunto de otros qubits.

"Exploramos cómo aprovechar mejor esta capacidad de conectar qubits distantes, con el objetivo de resolver problemas en menos tiempo con menos qubits", dijo Webber. "Debemos continuar adaptando las estrategias de corrección de errores para explotar las fortalezas del hardware subyacente, lo que puede permitirnos resolver problemas de gran impacto con una computadora cuántica de menor tamaño de lo que se suponía anteriormente".

Las computadoras cuánticas son exponencialmente más poderosas para descifrar muchas técnicas de encriptación que las computadoras clásicas. El mundo utiliza el cifrado RSA para la mayor parte de su comunicación segura. El cifrado RSA y el que usa Bitcoin (algoritmo de firma digital de curva elíptica) algún día serán vulnerables a un ataque de computación cuántica, pero hoy, incluso la supercomputadora más grande nunca podría representar una amenaza grave.

Los investigadores estimaron el tamaño que debe tener una computadora cuántica para romper el cifrado de la red de Bitcoin dentro del pequeño período de tiempo en el que realmente representaría una amenaza para hacerlo, entre su anuncio y la integración en la cadena de bloques. Cuanto mayor sea la tarifa pagada por la transacción, más corta será esta ventana, pero es probable que varíe de minutos a horas.

"Las computadoras cuánticas de última generación hoy en día solo tienen entre 50 y 100 qubits", dijo Webber. "Nuestro requisito estimado de 30 [millones] a 300 millones de qubits físicos sugiere que Bitcoin debe considerarse a salvo de un ataque cuántico por ahora, pero los dispositivos de este tamaño generalmente se consideran alcanzables y los avances futuros pueden reducir aún más los requisitos.

"La red de Bitcoin podría realizar una 'bifurcación dura' en una técnica de cifrado de seguridad cuántica, pero esto puede generar problemas de escalado de la red debido a un mayor requisito de memoria".

Los investigadores enfatizan la tasa de mejora tanto de los algoritmos cuánticos como de los protocolos de corrección de errores.

"Hace cuatro años, estimamos que un dispositivo de iones atrapados necesitaría mil millones de qubits físicos para romper el cifrado RSA, lo que requería un dispositivo con un área de 100 por 100 metros cuadrados", dijo Webber. "Ahora, con mejoras en todos los ámbitos, esto podría verse reducido drásticamente a un área de solo 2,5 por 2,5 metros cuadrados".

Una computadora cuántica con corrección de errores a gran escala debería ser capaz de resolver problemas importantes que las computadoras clásicas no pueden.

"La simulación de moléculas tiene aplicaciones para la eficiencia energética, baterías, catalizadores mejorados, nuevos materiales y el desarrollo de nuevos medicamentos", dijo Webber. "Existen más aplicaciones en todos los ámbitos, incluso para finanzas, análisis de big data, flujo de fluidos para diseños de aviones y optimizaciones logísticas".