Este artículo ha sido proporcionado por Mark Patrick, director de contenido técnico de Mouser Electronics.
Aunque la tecnología cuántica todavía está en su infancia, sus aplicaciones comerciales ya están disponibles.
A medida que la carrera para construir computadoras cuánticas más potentes se calienta, el concepto de supremacía cuántica se acerca a la realidad. El hito de supremacía cuántica comprometerá severamente nuestros mecanismos de seguridad digital existentes, por lo que se realizará otra carrera para construir soluciones seguras que sean resistentes a la computación cuántica.
Actualmente, uno de los principales riesgos para la evolución de la tecnología cuántica es la grave escasez de las habilidades requeridas para llevar soluciones escalables al mercado.
Este artículo analiza los avances recientes en el campo de la computación cuántica, discutiendo las aplicaciones prácticas existentes, así como las barreras técnicas, los problemas de escalabilidad y los dilemas éticos inherentes a esta nueva tecnología disruptiva.
¿Dónde está la computación cuántica hoy?
Según McKinsey, se invirtieron $ 1.71 mil millones a nivel mundial en nuevas empresas de tecnología cuántica en 2023. Aunque esto representa una ligera disminución en más de 2022, las inversiones han aumentado en los últimos años.
A pesar de los avances significativos en los últimos años, se debe superar una multitud de desafíos técnicos y prácticos antes de que la computación cuántica se convierta en una tecnología convencional.
Los observadores de la industria estiman que el hardware y el software necesarios para manejar los problemas más complejos no estarán disponibles hasta al menos 2035. Se deben desarrollar la estabilidad y la escalabilidad del hardware cuántico, se deben desarrollar mejores algoritmos y técnicas de corrección de errores y, no menos importante, se debe abordar una brecha de habilidades agudas. Sin embargo, las inversiones crecientes de los sectores público y privado indican confianza de que estas barreras pueden superarse. Los ingenieros enfrentan una oportunidad sin precedentes para dar forma e influir en esta próxima ola tecnológica, pero primero deben equiparse con las habilidades necesarias.
Supremacía y seguridad cuántica
El concepto teórico de la supremacía cuántica se considera un hito significativo en la computación cuántica, que se refiere al punto en el que las computadoras cuánticas podrían superar a las computadoras clásicas. En 2019, Google afirmó haber logrado este hito cuando su procesador cuántico de 53 quits, Sycamore, tomó 200 segundos para resolver un problema específico que habría tomado la supercomputadora más rápida del mundo, Summit, aproximadamente 10,000 años para resolver.
Si bien el experimento de Sycamore fue un avance significativo, el potencial completo de las computadoras cuánticas aún no se ha realizado, y la supremacía cuántica sigue siendo un área continua de investigación y exploración. Sin embargo, la perspectiva de la supremacía cuántica tiene profundas implicaciones para el futuro de la informática y las diversas industrias, y no menos menos para la seguridad.
Los métodos actuales de seguridad digital se basan en la criptografía o el cifrado, y la efectividad de los algoritmos de cifrado modernos se basa en la dificultad computacional de ciertos problemas matemáticos, como tener en cuenta grandes números o resolver problemas de logaritmos discretos. Las computadoras clásicas luchan por resolver estos problemas dentro de un plazo razonable, pero las computadoras cuánticas tienen el potencial de resolverlos de manera rápida y eficiente. Esto crea una amenaza emergente para la seguridad digital actual y conduce a los campos de rápido desarrollo de la criptografía y la criptografía cuántica del cuanto cuantil.
Tecnologías e innovaciones de seguridad emergentes
La supremacía cuántica se considera en gran medida como un hecho, con estimaciones de plazo que van desde entre seis y 20 años a partir de ahora. Al mismo tiempo, los expertos reconocen el riesgo de ataques de cosecha y-decrypt-later (HDPL), donde los estados nacionales deshonestos y los ciberdelincuentes pueden capturar datos cifrados con la intención de descifrarlo más tarde cuando la tecnología ha avanzado suficientemente.
Los gobiernos y la industria están respondiendo a esta amenaza futura a la seguridad con un enfoque de dos puntas centradas en la criptografía posterior al cuanto y la criptografía cuántica.
Criptografía posterior al quanto
Cuerpos como el Instituto Nacional de Normas de los Estados Unidos (NIST) han estado colaborando con expertos de la industria en el desarrollo de estándares de criptografía posteriores al cuanto al cuanto al cuanto. La criptografía posterior al quanto sustituye los algoritmos existentes con un conjunto de problemas matemáticos que son difíciles de resolver para las computadoras clásicas y cuánticas. Después de un programa de seis años, NIST ha seleccionado los primeros cuatro algoritmos de cifrado, que se convertirán en parte de un estándar criptográfico posterior al quantum. Además, en diciembre de 2022, el presidente de los Estados Unidos, Joe Biden, promulgó la Ley de Preparación de Ciberseguridad de Cocsecuridad Quantum, que obliga a las agencias federales a hacer la transición a los estándares de cifrado posteriores al cuanto al cuanto.
Si bien la criptografía actual se basa en factorizar grandes números, estos nuevos estándares se basan en problemas de celosía, como el cifrado de clave pública Crystals-Kyber y los algoritmos de firma digital Crystals-Dilithium Digital. Con una investigación continua en el campo, se definirán estándares adicionales de cifrado posteriores al quantón, se centrarán principalmente en seis enfoques diferentes: criptografía basada en la red, criptografía multivariada, criptografía basada en hash, criptografía basada en código, criptografía basada en isogenía y resistencia clave simétrica clave.
Criptografía cuántica
Paralelamente a los desarrollos de criptografía posteriores al cuanto al cuanto, el campo emergente de la criptografía cuántica tiene como objetivo asegurar la comunicación digital al aprovechar los principios fundamentales de la mecánica cuántica
La distribución de clave cuántica (QKD) se basa en una de las propiedades clave de la mecánica cuántica, donde un sistema cuántico se ve interrumpido por cualquier intento de observarlo. QKD ofrece seguridad incorporada ya que si un espía intenta leer una clave generada a través de QKD, tanto el creador como el destinatario serán conscientes. QKD requiere circuitos y equipos dedicados, pero es el aspecto más maduro y ampliamente estudiado de la criptografía cuántica, con varios productos y servicios comerciales disponibles. La investigación en curso en QKD se centra en mejorar la distancia, la velocidad y la eficiencia de la generación de claves, desarrollar nuevos protocolos y técnicas, e integrar QKD con las redes y dispositivos existentes.
La generación de números aleatorios cuánticos (QRNG) produce números verdaderamente aleatorios utilizando fenómenos cuánticos, como el principio de incertidumbre o el enredo de los estados cuánticos. Las técnicas de cifrado clásico se basan en números pseudo-aleatorios, que pueden comprometerse; Pero los números verdaderamente aleatorios generados por QRNG ofrecen mayor calidad, imprevisibilidad y verificabilidad. QRNG es un componente fundamental de QKD y otros protocolos criptográficos cuánticos, y los sistemas QRNG ya están en el mercado, incluidas las plataformas de aleatoriedad como servicio, que proporcionan números aleatorios generados por Quantum y chips QRNG. QRNG Research se centra en desarrollar nuevas fuentes y métodos de aleatoriedad cuántica, mejorar el rendimiento y la escalabilidad de los dispositivos QRNG y verificar y certificar la aleatoriedad de las salidas cuánticas.
Aunque todavía está en su infancia, la criptografía cuántica está comenzando a implementarse en la infraestructura crítica y los sectores financieros para asegurar transacciones y proteger datos confidenciales. En Ginebra, Suiza, una colaboración entre ID Quantique (IDQ) y Colt Technologies y Services ha implementado un vínculo crítico seguro para las instituciones financieras locales basadas en la solución Cerberis QKD de IDQ.
Ética y regulación
Al igual que con cualquier tecnología emergente rápidamente con potencial disruptivo, el desarrollo de un marco regulatorio apropiado que aborde los siguientes aspectos es esencial.
Las preocupaciones éticas y sociales incluyen asignación y desigualdad de recursos, abuso de poder, responsabilidad y transparencia, y posible desplazamiento laboral.
Como se discutió, el desarrollo de los estándares de seguridad resistentes a la cantidad es una prioridad, mientras que se requiere una regulación proactiva para garantizar la protección de la privacidad.
El impacto económico de la tecnología cuántica será alto, y un marco regulatorio debe gestionar implicaciones económicas potencialmente disruptivas y garantizar un campo de juego nivelado para todos los interesados.
Dada la naturaleza global de la tecnología cuántica, la colaboración internacional es esencial para garantizar un entorno regulatorio armonizado globalmente que fomente la innovación.
Actualmente existen varios enfoques, según la región. En Europa, el programa de insignia cuántica enfatiza el desarrollo de redes seguras, estándares y certificación, y implementación ética.
La trayectoria de la computación cuántica
A pesar del progreso descrito anteriormente, quedan muchos desafíos por superar antes de que la tecnología cuántica pueda considerarse corriente. Los desafíos técnicos incluyen:
Falta de qubits de alta calidad y corregidos por error. Conectividad limitada, que hace que el enredo de largo alcance sea infapaz. Soporte limitado para la tolerancia a fallas a nivel de circuito y la integración de qubits en los sistemas informáticos universales. Dificultad para verificar y depurar cálculos cuánticos, especialmente con sistemas más grandes, debido a la medición en sistemas cuánticos.
Estos desafíos también presentan oportunidades para individuos y organizaciones en las comunidades de ingeniería, informática y científicas. Se requiere un esfuerzo significativo para continuar desarrollando una arquitectura cuántica tolerante a fallas, lo que disminuye las tasas de error o el ruido en la computación cuántica. La tecnología es actualmente costosa y requiere experiencia en súper enfriamiento y un mayor desarrollo para permitir la escala de los sistemas cuánticos. En el mundo del software, el enfoque está en construir una pila cuántica capaz de operar con principios cuánticos e integrar algoritmos de computación clásica y cuántica.
El ritmo de desarrollo está actualmente amenazado por una escasez crónica de habilidades fuera de la investigación y los entornos académicos. McKinsey predice que menos de la mitad de las vacantes relacionadas con la cuántica se llenarán a fines de 2025.
Soluciones prometedoras
La criptografía cuántica y la criptografía posterior al quanto ofrecen soluciones prometedoras a la inminente amenaza de la computación cuántica, pero quedan varios desafíos por superar antes de que se gane la carrera. Se han realizado una inversión significativa en la investigación y el desarrollo de estas tecnologías de seguridad críticas, pero una grave escasez de habilidades amenaza con ralentizar su evolución.
Las organizaciones e individuos, incluidos los ingenieros de software y de hardware electrónico, tienen una oportunidad de oro para girar sus habilidades para contribuir a esta próxima ola tecnológica.
Publicado Originalmente eneandt.theiet.org El 30 de abril de 2025.
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