Computación cuántica: el nuevo horizonte para la economía del dato, la privacidad y la ciberseguridad

La computación cuántica es una de las innumerables aplicaciones prácticas de los avances en el campo de la física cuántica. Este campo de la física, gracias a los descubrimientos de algunos de los científicos de mayor renombre de la historia (como Max Planck, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg o Niels Bohr), ha dado lugar, desde principios del siglo XX, a una serie de avances sin precedentes sobre el conocimiento del mundo físico y su funcionamiento.

No es objeto de estas líneas exponer detalladamente los fundamentos de la física cuántica. Tal empresa corresponde al campo de la física. No obstante, sí que se considera oportuno, para contextualizar los siguientes apartados, ofrecer una breve aproximación sobre los principales puntos de la teoría cuántica que hacen posible la computación cuántica, y con ella la revolución en la economía del dato que se avecina.

En esencia, la teoría cuántica explica, con un grado de precisión sumamente exitoso, la manera en que las partículas, y especialmente las partículas subatómicas (como los electrones), se comportan. Al estudiar la materia a tal escala, se ha podido observar que su comportamiento no siempre se corresponde con lo esperado y observado en cuerpos de mayor tamaño.

• En el mundo macroscópico, haciendo los cálculos oportunos, uno puede determinar dónde aterrizará una pelota lanzada a una determinada velocidad con un determinado ángulo y que sufre un determinado rozamiento con el aire de la atmósfera. Es decir, los cuerpos “grandes” siguen reglas que se nos antojan lógicas, y se alinean con las observaciones del día a día a las que estamos acostumbrados.
• No obstante, en el mundo cuántico, las cosas no son tan evidentes. Distintos fenómenos conducen a conclusiones aparentemente imposibles, pero que han sido probadas con una precisión difícilmente contestable. Por ejemplo, una determinada partícula puede encontrarse en lo que se llama una “superposición de estados”, que, en términos simplificados, implica que puede combinar dos estados diferentes de manera simultánea.
• Simplificando un poco la cuestión, podría decirse que, si un interruptor “normal”, como el que se puede encontrar en cualquier hogar, solo puede estar encendido o apagado, un interruptor cuántico podría compaginar ambos estados (encendido y apagado) simultáneamente, sin estar realmente definido (es decir, encendido o apagado) hasta que el interruptor sea observado. Solo entonces, al medir u observar su estado, el interruptor pasará a estar totalmente encendido o totalmente apagado.

Esta clase de descubrimientos, junto con otros fenómenos (como el entrelazamiento cuántico o el teletransporte cuántico), conforman el corpus teórico de la conocida como física cuántica.

La computación cuántica es, por lo tanto, la aplicación de tales avances al mundo de la computación.

¿En qué se diferencia la computación tradicional de la cuántica?

Como algún lector habrá podido adivinar, el ejemplo del interruptor dado en la sección anterior no ha sido elegido por casualidad.

Como se indicaba anteriormente, en el mundo clásico un interruptor solo puede estar encendido o apagado. En el mundo cuántico, podría decirse que un "interruptor cuántico" se encuentra en una superposición de encendido y apagado hasta que se mide. Es con esa medición cuando “colapsa” en uno solo de los dos estados (encendido o apagado). Esta capacidad de mantener abiertas múltiples posibilidades simultáneamente es uno de los pilares sobre los que la computación cuántica se basa para resolver ciertos problemas con una eficiencia inalcanzable para los ordenadores convencionales.

A partir de este fenómeno de la superposición de estados (así como otros adicionales que no entraremos a detallar), la computación cuántica sustituye los bits tradicionales, que se asemejan a los interruptores tradicionales que están encendidos (1) o apagados (0), por “qubits” o “bits cuánticos”, que pueden estar en un estado de superposición de encendido y apagado simultáneamente. De este modo, la capacidad de cómputo se ve incrementada de manera exponencial:

• Dos bits normales pueden representar únicamente uno de cuatro posibles estados en un determinado momento (00;01;11;10).
• Dos qubits pueden representar estos cuatro estados potenciales de manera simultánea (al estar en un estado de superposición). A medida que se añaden qubits, esta ventaja crece de forma exponencial: con 10 qubits se opera con 1.024 estados posibles; con 50 qubits se podrían alcanzar capacidades de cómputo comparables a las de los supercomputadores más potentes actuales (para tareas específicas); con 300 qubits, el número de estados simultáneos podría superar el número de átomos en el universo observable.

La manera de hacer operativas estas capacidades computacionales corresponde a otros campos del conocimiento científico y técnico, pero a nuestros efectos es suficiente con comprender que la computación cuántica permite computar con qubits aprovechando las ventajas de la superposición (así como de otras propiedades del mundo cuántico, como el entrelazamiento cuántico). En este sentido, la computación cuántica permitirá optimizar determinadas operaciones, superando con creces en ciertos aspectos las capacidades de los superordenadores más potentes disponibles actualmente.

¿Qué impacto puede tener esta tecnología en el campo de la economía del dato, la privacidad y la ciberseguridad?

La computación cuántica puede superar de forma muy significativa a la computación clásica en determinados tipos de problemas, especialmente aquellos para los que existen algoritmos cuánticos adecuados.

Por ejemplo, la computación cuántica permite, mediante el conocido algoritmo de Shor, descomponer grandes números en sus factores primos con una eficacia inigualable. Este tipo de cálculos, prácticamente imposibles para la computación tradicional, puede tener un enorme impacto para la economía del dato, la privacidad y la ciberseguridad, tal y como se expone a continuación:

Economía del dato: dado que la computación cuántica permitirá hacer cálculos más complejos a mayor velocidad, el potencial para la economía del dato es enorme. Pensemos en las posibilidades de detección de patrones o la optimización de operaciones.

• Potencialmente, la computación cuántica podría acelerar el proceso de entrenamiento de modelos de IA, cuyo sustento primordial es la información.
• Podría permitir la optimización de las rutas de distribución de operadores logísticos, calculando las rutas más eficientes para el reparto de productos o mercancías. Esto puede derivar en optimizaciones notables en el campo de la venta online, por ejemplo.
• Otro de los casos de uso con mayor potencial se encuentra en el campo de la ciencia y la investigación. El uso de estas tecnologías podría ser determinante en el diseño de nuevos medicamentos o la simulación de estructuras moleculares complejas.

La combinación de esta tecnología con la abundancia de datos disponibles a día de hoy puede suponer una auténtica revolución. Para ello, podrá ser determinante la creciente figura de los espacios de datos, para poner en común información bajo control de actores independientes, que permita la optimización de esa información haciendo uso de la computación cuántica.

Privacidad: el impacto de la computación cuántica en el campo de la privacidad y la protección de datos deriva en gran parte de la seguridad de los datos personales y de la vida privada de los ciudadanos, que podrían verse afectados por ataques de computación cuántica. Esto implica que los responsables y encargados del tratamiento podrán ver ampliadas notablemente las exigencias aplicables en materia de seguridad de la información.

Adicionalmente, el impacto de esta tecnología da pie a preguntas de gran calado en el mundo de la privacidad y la protección de datos, que aún hoy en día pueden ser difíciles incluso de imaginar, ya que las implicaciones de esta tecnología para los derechos fundamentales de las personas físicas dependerán del modo en que se adopte. Algunas de estas preguntas preliminares son las que siguen:

• ¿Cómo debería gestionar un responsable del tratamiento un incidente de seguridad en el que un atacante roba una base de datos cifrada e inaccesible, pero la consigue descifrar en un futuro usando computación cuántica (harvest now, decrypt later)? Este riesgo del HNDL es especialmente grave para datos personales sensibles, secretos empresariales, información sanitaria, financiera, datos de menores, información de defensa o datos que deben mantenerse confidenciales durante muchos años.
• ¿Se centralizarán los ordenadores cuánticos en unos pocos países, de modo que el acceso a su uso por responsables europeos implique potenciales transferencias internacionales de datos personales fuera del Espacio Económico Europeo por responsables del tratamiento situados en Europa?
• ¿Qué implicaciones tendrá para la protección de datos el uso de tecnologías cuánticas (como la distribución cuántica de claves, o QKD, para la protección de la información)? ¿Reducirá este tipo de tecnologías (como las comunicaciones cuánticas) el número de incidentes de seguridad?
• ¿Cómo encaja el concepto de superposición con el concepto de dato personal? ¿Qué tipo de información procesa un ordenador cuántico hasta el momento de la medición y colapso? En una serie de qubits en superposición de estados, ¿pueden ser los qubits en sí mismos datos personales o solo adquieren tal consideración con su medición?

Encontrar respuestas a estas y tantas otras preguntas, con importantes implicaciones jurídicas, requerirá de comunicaciones fluidas entre equipos técnicos y profesionales del derecho con la capacidad de interiorizar conceptos tan complejos como aquellos sobre los que se basa la física cuántica.

Ciberseguridad: las conversaciones sobre computación cuántica suelen derivar en conversaciones sobre ciberseguridad. En resumidas cuentas, esto se debe a que el uso de las potentes capacidades de cálculo de la computación cuántica (por ejemplo, mediante la factorización en primos de grandes números mediante el algoritmo de Shor) supone un disparo certero a algunos de los pilares sobre los cuales funcionan las técnicas más extendidas de cifrado asimétrico de clave pública sobre las cuales se sustenta la seguridad de las comunicaciones en línea (como, por ejemplo, los sistemas basados en RSA).

Es decir, que una tecnología madura en materia de computación cuántica podría potencialmente desbaratar la mayoría de las medidas de seguridad que protegen nuestra información y comunicaciones digitales a día de hoy. Si bien las medidas de cifrado siguen resistiendo, de momento, a esta clase de ataques, este es un problema actual, ya que los ciberdelincuentes pueden llevar a cabo ataques consistentes en robar ahora y descifrar en un futuro, cuando las capacidades de computación cuántica se lo permitan.

Por ello, es importante tomar conciencia de esta realidad con premura, para encontrar soluciones con antelación suficiente. De hecho, diferentes organizaciones ya están trabajando y publicando estándares algorítmicos resistentes a ataques sustentados por capacidades de computación cuántica. Por ejemplo, el NIST (National Institute of Standards and Technology, agencia estatal de EEUU dependiente del departamento de comercio), ya ha aprobado estándares de criptografía postcuántica -FIPS 203, FIPS 204 y FIPS 205- que consiste en algoritmos clásicos diseñados para proteger frente a futuros ataques de ordenadores cuánticos.

¿En qué punto estamos y cuándo llegará la computación cuántica?

La respuesta corta es que la computación cuántica ya existe. De hecho, comenzó a idearse ya en la década de los años 80, en parte gracias a otra de las ilustres figuras de la física en general, y la cuántica en particular, Richard Feynman, quien afirmaba que, si la naturaleza era cuántica, la única manera de simularla había de ser una simulación cuántica. Es decir, se hacían necesarios ordenadores cuánticos para hacer cómputos de complejidad “cuántica”.

Desde entonces, los progresos han sido muchos. A día de hoy diferentes entidades ya cuentan con ordenadores cuánticos capaces de hacer cálculos sobre la base de qubits. No obstante, es cierto que sigue siendo una tecnología incipiente que aún está lejos de alcanzar su máximo potencial, y que no tiene una gran adopción en el tejido empresarial a día de hoy. Aunque ya es una tecnología útil para casos de uso específicos y a medida, se sigue trabajando en sistemas de uso más generalizado y más fácilmente accesibles y operativos.

La computación cuántica está atrayendo cuantiosas inversiones, y se espera un gran crecimiento de sus capacidades en los próximos años. Actualmente, hay una apasionante carrera entre algunos de los líderes tecnológicos por el desarrollo de ordenadores cuánticos de uso general, utilizando diferentes estrategias y medidas para solventar algunos de los obstáculos a los que se enfrentan estas tecnologías (como la inestabilidad de los ordenadores por la decoherencia de los qubits, por ejemplo). La llegada a la madurez de la computación cuántica, cuando esta tenga un nivel de adopción suficientemente robusto, se espera para finales de la década o principios de la siguiente (aunque cualquier predicción sobre la materia se antoja aventurada).

Si bien esto puede parecer lejano, la existencia de ataques como los indicados anteriormente y la complejidad de la materia exigen preparación para ese momento desde ahora. Es más, los actores estatales ya están trabajando en estos preparativos, como demuestra la publicación de la Estrategia de Tecnologías Cuánticas de España por el Ministerio para la Transformación Digital y de la Función Pública, o la estrategia europea en materia de computación cuántica publicada por la Comisión Europea. La pregunta práctica es: ¿puede mi organización sustituir algoritmos, certificados, protocolos, librerías y proveedores criptográficos sin rehacer sus sistemas desde cero? La hoja de ruta europea sobre transición a criptografía postcuántica insiste precisamente en una transición coordinada y en que los interesados estén informados sobre la amenaza cuántica para la criptografía.

La computación cuántica no debe entenderse únicamente como una promesa tecnológica futura. Para muchas organizaciones, sus efectos empiezan antes de que existan ordenadores cuánticos de uso general capaces de romper la criptografía actualmente extendida. El riesgo de capturar información hoy para descifrarla mañana, la necesidad de inventariar activos criptográficos, la transición hacia algoritmos resistentes a ataques cuánticos y la revisión de contratos, sistemas y políticas de seguridad convierten esta cuestión en un reto presente de gobernanza del dato. La pregunta, por tanto, no es solo cuándo llegará la computación cuántica, sino si empresas, administraciones y profesionales jurídicos estarán preparados cuando sus efectos dejen de ser hipotéticos.