La edición cuántica: qué podría significar la computación cuántica para Bitcoin

¿Qué es la computación cuántica? ¿En qué se diferencia una computadora cuántica de una computadora clásica y qué relevancia podría tener esta tecnología para Bitcoin?

Estas son preguntas que los nuevos usuarios de Bitcoin inevitablemente se plantean al considerar la exposición de Bitcoin a lo que podría convertirse en una amenaza existencial si se desarrolla una computadora cuántica viable. La posibilidad de poseer bitcoin depende de un supuesto fundamental: sin obtener directamente una copia de una clave privada, nadie que no posea esa clave puede firmar una transacción para gastar las monedas que protege. La computación cuántica pone en duda ese supuesto.

Las computadoras cuánticas no son simplemente “computadoras, pero más rápidas”. Funcionan de una manera fundamentalmente distinta a las computadoras clásicas y, por eso, son mucho más eficientes para ciertos tipos específicos de cálculos. Este artículo no pretende explicar la computación cuántica con un nivel técnico exhaustivo. En cambio, ofrece una explicación intuitiva de las diferencias entre las computadoras clásicas y cuánticas, especialmente en la forma en que manejan grandes espacios de claves criptográficas.

Computadoras clásicas

Todo lo que se almacena en una computadora clásica se representa como una serie de 1 y 0. Cada bit es exactamente un 1 o un 0, sin ambigüedad. Los datos se almacenan como 1 y 0, y cuando se manipulan o modifican, las operaciones se realizan bit por bit y paso a paso.

Por lo tanto, una computadora clásica modifica piezas de datos discretas y no ambiguas siguiendo una secuencia lineal. No puede adelantarse ni tomar un atajo en la secuencia de pasos que requiere un cálculo. Debe ejecutar esos pasos uno después de otro, aunque métodos matemáticos más eficientes puedan reducir el trabajo total necesario.

Cuando se genera una clave privada en una computadora, el dispositivo obtiene un valor aleatorio. Ese valor puede provenir de dados introducidos por un usuario, de la entrada general del usuario o de la aleatoriedad generada por el hardware del dispositivo. La computadora almacena el valor en la memoria como 1 y 0. Luego multiplica el valor de la clave privada por el punto generador de la curva elíptica para producir una clave pública.

En su nivel más básico, este proceso consiste en instrucciones algorítmicas que especifican qué bits utilizar, cómo modificarlos y qué circuitos físicos deben procesarlos. Después, el valor resultante vuelve a colocarse en la memoria tras haber sido modificado bit por bit. Se requieren pasos adicionales para obtener una dirección válida, pero esos pasos siguen el mismo patrón general de instrucciones secuenciales que modifican 1 y 0 en la memoria.

¿Qué ocurriría si alguien intentara usar una computadora clásica para adivinar la clave privada de otra persona?

Existen 2^256 claves privadas posibles. Es decir, 115,792,089,237,316,195,423,570,985,008,687,907,853,269,984,665,640,564,039,457,584,007,913,129,639,936 claves posibles.

Una computadora tendría que probar esas claves privadas una tras otra, o probar tantas como pudiera procesar en paralelo, siguiendo las mismas instrucciones paso a paso utilizadas para generar claves públicas. Cuantas más claves se probaran simultáneamente, mayor sería la potencia de cómputo necesaria. No habría ningún atajo para evitar ese costo.

Usar menos potencia de cómputo requeriría más tiempo. Reducir el tiempo requeriría más potencia de cómputo. Con la computación clásica, la tarea es prácticamente imposible: el costo computacional necesario supera las capacidades de todas las computadoras de la Tierra, mientras que el tiempo requerido sería tan grande que todas las estrellas del universo morirían antes de que se probaran todas las claves posibles.

Para alcanzar el objetivo, es necesario contar con una alternativa a comprobar las claves de manera secuencial o en paralelo. Ahí es donde la computación cuántica adquiere relevancia.

Computadoras cuánticas

Las computadoras cuánticas no trabajan con estados discretos de la misma manera que las computadoras clásicas. Su unidad básica de información es el qubit, el equivalente cuántico de un bit. A diferencia de un bit clásico, que es un 1 o un 0, un qubit existe en una superposición en la que puede ser simultáneamente un 1 y un 0. Se establece en uno de esos estados discretos cuando es observado.

La superposición es uno de los elementos fundamentales que permite a las computadoras cuánticas realizar cálculos de una manera diferente. Otro es el entrelazamiento. Los qubits no necesariamente se almacenan de forma aislada. Los átomos físicos que los representan pueden entrelazarse, lo que significa que, cuando los átomos entrelazados son observados y colapsan en un único estado, los átomos entrelazados colapsan en el mismo estado, sin importar qué tan separados estén.

La diferencia puede entenderse intuitivamente al comparar los algoritmos. En una computadora clásica, un algoritmo es un conjunto de instrucciones que toma una disposición específica de bits y la modifica paso a paso hasta producir una disposición final de bits. El algoritmo transforma un estado discreto en otro mediante una secuencia de operaciones.

Los qubits no almacenan estados discretos hasta que la observación provoca su colapso en uno de ellos. En cambio, almacenan probabilidades. Para un conjunto de qubits entrelazados de un tamaño determinado —2^256 en el caso hipotético considerado aquí—, cada estado posible tiene una probabilidad específica de ser el estado en el que colapse el sistema.

Por lo tanto, los algoritmos cuánticos no son simplemente instrucciones paso a paso para operar sobre estados fijos y discretos. Proporcionan instrucciones para operar sobre qubits entrelazados de una manera que modifica las probabilidades de distintos resultados. La interferencia constructiva aumenta la probabilidad de obtener un resultado correcto, mientras que la interferencia destructiva reduce la probabilidad de obtener resultados incorrectos. Esto no es lo mismo que el ruido o la interferencia que dificulta el funcionamiento preciso de las computadoras cuánticas físicas; se trata de un concepto diferente.

Una computadora clásica tendría que comprobar las claves privadas individuales una por una para encontrar la clave correspondiente a una clave pública específica. Una computadora cuántica podría ejecutar el algoritmo adecuado un número limitado de veces y llegar a la respuesta correcta. No lo haría literalmente “comprobando todas las posibilidades a la vez”. En cambio, modificaría las probabilidades de los resultados en los que puede colapsar la superposición.

Por eso una computadora cuántica podría socavar los supuestos en los que se basa la criptografía de curva elíptica de una manera que una computadora clásica no puede. También por eso las computadoras cuánticas solo son útiles para ciertos tipos de cálculos, incluidos los problemas que involucran un espacio muy grande de posibles respuestas.

No entre en pánico

La diferencia fundamental entre la computación clásica y la cuántica significa que, si se produjera una computadora cuántica viable y funcionara correctamente, se rompería el supuesto subyacente que protege las tenencias individuales de Bitcoin. Esos fondos quedarían inseguros.

Esto representaría un riesgo serio si un dispositivo de ese tipo fuera fabricado y funcionara como se requiere. Sin embargo, Bitcoin no está completamente desprevenido. El problema y la posible exposición son conocidos, y están surgiendo numerosas soluciones posibles para abordar distintos aspectos de la cuestión.

Respire y relájese. El resto de esta edición examina el problema más amplio en detalle.

Este artículo aparece en la última edición impresa de Bitcoin Magazine, The Quantum Issue. Se comparte en línea como un adelanto de las ideas exploradas a lo largo de la edición completa.

El artículo apareció originalmente en Bitcoin Magazine y fue escrito por Shinobi.