Las computadoras cuánticas pueden revolucionar la teoría de la información

Debaten en la Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada nuevas perspectivas para el almacenamiento y la transmisión de datos

Por Diego Freire

Agência FAPESP – La perspectiva de llegarse a las computadoras cuánticas, con una capacidad de procesamiento muy superior a la de los actuales ordenadores, ha llevado al perfeccionamiento de una de las áreas más versátiles de la ciencia, con aplicaciones en las más diversas áreas del conocimiento: la teoría de la información. Para discutir ésta y otras perspectivas, el Instituto de Matemática, Estadística y Computación Científica (Imecc) de la Universidad de Campinas (Unicamp), en São Paulo, Brasil, realizó entre los días 19 y 30 de enero la SPCoding School.

El evento se concretó en el marco del programa Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada (ESPCA), de la FAPESP, que ofrece recursos para la organización de cursos de corta duración en temas avanzados de ciencia y tecnología en el estado de São Paulo.

La base de la información procesada por las computadoras ampliamente utilizadas es el bit, la menor unidad de datos que puede almacenarse o transmitirse. En tanto, las computadoras cuánticas trabajan con qubits, que siguen los parámetros de la mecánica cuántica, una rama de la Física que aborda las dimensiones cercanas o inferiores al nivel atómico. Debido a ello, dichos artefactos pueden realizar una cantidad mucho mayor de cálculos simultáneamente.

“La comprensión cuántica de la información le asigna toda una complejidad a su codificación. Con todo, si bien cabe tener en cuenta que análisis complejos, cuya ejecución tardaría décadas, siglos o incluso miles de años en computadoras comunes, podrían hacerse en minutos en computadoras cuánticas, también esa tecnología pondría bajo amenaza el secreto de informaciones que no hubieran sido debidamente protegidas contra este tipo de novedad”, declaró Sueli Irene Rodrigues Costa, docente del IMECC, a Agência FAPESP.

La mayor amenaza de las computadoras cuánticas contra la criptografía actual reside en su capacidad de romper los códigos que se utilizan para la protección de información importante, tal como lo es la de las tarjetas de crédito. Para evitar este tipo de riesgos, se torna necesario desarrollar también sistemas criptográficos que apunten a la seguridad y que tengan en cuenta la capacidad de la computación cuántica.

“La teoría de la información y la codificación deben andar un paso al frente del uso comercial de la computación cuántica”, dijo Rodrigues Costa, una de las investigadoras principales del Proyecto Temático intitulado “La seguridad y la confiabilidad de la información: teoría y práctica”, apoyado por la FAPESP.

“Se trata de una criptografía poscuántica. Tal como quedó demostrado a finales de la década de 1990, los procedimientos criptográficos actuales no sobrevivirán a las computadoras cuánticas, habida cuenta de que no son tan seguros. Y esa urgencia por desarrollar soluciones preparadas para la capacidad de la computación cuántica también da impulso a la teoría de la información para avanzar cada vez más en diversas direcciones”, dijo.

Algunas de esas soluciones se abordaron en el transcurso de la programación de la SPCoding School, y muchas de ellas con miras a contar con sistemas más eficientes para su aplicación en la computación clásica, tal como el empleo de códigos correctores de errores y de reticulados para criptografía. Para Rodrigues Costa, la escalada de la teoría de la información en simultáneo con el desarrollo de la computación cuántica provocará revoluciones en diversas áreas del conocimiento.

“A ejemplo de las múltiples aplicaciones de la teoría de la información en la actualidad, la codificación cuántica también elevaría a diversas áreas de la ciencia a nuevos niveles, ya que permitiría realizar simulaciones computacionales aún más precisas del mundo físico, al operar con una cantidad exponencialmente mayor de variables en comparación con los ordenadores clásicos”, dijo Rodrigues Costa.

La teoría de la información comprende la cuantificación de la información y abarca áreas tales como la matemática, la ingeniería eléctrica y las ciencias de la computación. Su pionero fue el estadounidense Claude Shannon (1916-2001), quien fue el primero en considerar a la comunicación como un problema matemático.

Revoluciones en marcha

Mientras va siendo preparada para las computadoras cuánticas, la teoría de la información promueve grandes modificaciones en la codificación y en la transmisión de informaciones. Amin Shokrollahi, de la École Polytechnique Fédérale, con sede en Lausana, Suiza, presentó en la SPCoding School nuevas técnicas de codificación destinadas a resolver problemas tales como los ruidos en la información y el consumo elevado de energía en el procesamiento de datos, incluso en la comunicación entre chips en los aparatos.

Shokrollahi es conocido en el área por su invención de los códigos Raptor y por ser coinventor de los códigos Tornado, utilizados en estándares de transmisión de información móviles, con implementaciones en sistemas inalámbricos, satélites y en el método de transmisión de señales televisivas IPTV, que emplea el protocolo de internet (IP, según la sigla en inglés) para transmitir contenido.

“El crecimiento del volumen de datos digitales y la necesidad de contar con una comunicación cada vez más rápida aumentan la susceptibilidad a diversos tipos de ruido y el consumo de energía. Es necesario buscar nuevas soluciones en ese escenario”, dijo.

Shokrollahi también presentó innovaciones desarrolladas en la empresa suiza Kandó Bus, de la cual es director de investigación. “Utilizamos algoritmos especiales para codificar las señales, que se transmiten todas simultáneamente hasta que un decodificador recupere las señales originales. Todo esto se lleva a cabo evitando que cables vecinos interfieran entre sí, lo que genera de ese modo un nivel de ruido significativamente menor. Los sistemas también llevan a un achicamiento del tamaño de los chips, aumentan la velocidad de transmisión y disminuyen el consumo de energía”, explicó.

De acuerdo con Rodrigues Costa, soluciones análogas también están desarrollándose con diversas tecnologías de utilización generalizada en la sociedad.

“Los celulares, por ejemplo, experimentaron un gran aumento en su capacidad de procesamiento y en su versatilidad, pero una de las quejas más frecuentes de los usuarios apunta que la batería no dura. Una de las estrategias consiste entonces en descubrir medios de codificar de manera más eficiente para economizar energía”, dijo.

Aplicaciones biológicas

Pero no son tan sólo problemas de índole tecnológica los que pueden abordarse o solucionarse a través de la teoría de la información. Vinay Vaishampayan, docente de la City University of New York, en Estados Unidos, coordinó en la SPCoding School el panel intitulado “Information Theory, Coding Theory and the Real World”, en el cual se trataron diversas aplicaciones de los códigos en el seno de la sociedad, entre ellas, las biológicas.

“No existe una sola teoría de la información, y sus abordajes –entre los informáticos y los probabilísticos– pueden aplicarse prácticamente en todas las áreas del conocimiento. Nosotros tratamos en el panel las diversas posibilidades de investigación a disposición de quienes tienen interés en estudiar esas interfaces de los códigos con el mundo real”, declaró a Agência FAPESP.

Vaishampayan destacó a la Biología como un área con gran potencial en ese panorama. “La neurociencia plantea cuestionamientos importantes que pueden responderse con la ayuda de la teoría de la información. Aún no sabemos en profundidad de qué modo se comunican entre sí las neuronas, o cómo funciona el cerebro en su plenitud, y las redes neuronales constituyen un campo de estudio sumamente rico también desde el punto de vista matemático, como así también lo es la Biología Molecular”, dijo.

Sucede que, de acuerdo con Max Costa, docente de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Unicamp y uno de los disertantes, los seres vivos también están hechos de información.

“Somos codificados por medio del ADN de nuestras células. El descubrimiento del secreto de ese código y el mecanismo inherente a los mapeos que se hacen y se registran en ese marco constituyen un problema de sumo interés con miras a lograr una comprensión más profunda del proceso de la vida”, dijo.

Para Marcelo Firer, profesor del Imecc y coordinador de la SPCoding School, el evento les brindó a estudiantes y científicos de diversos campos nuevas posibilidades de investigación.

“Los participantes compartieron oportunidades de estudios vinculados a ésas y muchas otras aplicaciones de la Teoría de la Información y de la Codificación. Se ofrecieron desde cursos introductorios, destinados a estudiantes con formación matemática consistente, pero no necesariamente familiarizados con la codificación, hasta cursos de mayor complejidad, aparte de conferencias y paneles de discusión”, dijo Firer.

Participaron en el evento alrededor de 120 estudiantes de 70 universidades y de 25 países. Entre los disertantes extranjeros había científicos del California Institute of Technology (Caltech), de la Maryland University, en Estados Unidos; de la Chinese University of Hong Kong, de China; de la Nanyang Technological University, de Singapur; de la Technische Universiteit Eindhoven, en Holanda; de la Universidade do Porto, en Portugal, y de la Tel Aviv University, de Israel.

Más información en: www.ime.unicamp.br/spcodingschool.