El estallido mediático se produjo cuando el procesador cuántico Sycamore resolvió un enigma de lo más retorcido: «muestrea un ejemplo de un circuito cuántico de un cierto tamaño un millón de veces». Tardó apenas doscientos segundos.

Computadora cuántica Sycamore

Texto: MJ Prieto

Con los conocimientos de ese momento, un ordenador convencional, incluso el más rápido del mundo, hubiera tardado diez mil años en resolver la incógnita, aunque la cifra solo sirvió para acaparar titulares. A pesar de que con algoritmos posteriores los ordenadores clásicos tratan de igualar a Sycamore, hay consenso en que la solución cuántica es imbatible cuando se escala el problema a mayor tamaño.

La primera prueba de la «supremacía cuántica» protagonizada por el Sycamore de Google y publicada en Nature1 ponía a la computación ¿De qué hablamos cuando hablamos de computación cuántica? El estallido mediático se produjo cuando el procesador cuántico Sycamore resolvió un enigma de lo más retorcido: «muestrea un ejemplo de un circuito cuántico de un cierto tamaño un millón de veces». Tardó apenas doscientos segundos. cuántica en el ojo del huracán. Los ordenadores convencionales se basan en bits, que pueden adoptar dos valores: 1 o 0. Los cuánticos se basan en cúbits, que están en un estado nuevo llamado superposición de 0 y 1. Es una propiedad de la física cuántica, que se manifiesta en el mundo subatómico, en el que una partícula puede estar en un estado cuántico en el que los valores de las propiedades no están definidos hasta que se miden.

La computación cuántica puede acelerar las soluciones para algunos de los problemas más acuciantes del mundo, desde el cambio climático hasta las enfermedades. Dado que la naturaleza a escala atómica se comporta mecánicamente de forma cuántica, esta forma de computación brinda la mejor oportunidad de comprender y simular el mundo natural a nivel molecular. 

«En la actualidad, cuando hablamos de tecnología cuántica nos referimos a aplicar los fenómenos cuánticos más sutiles a la computación, la sensórica o las comunicaciones. Es lo que se denomina la segunda revolución cuántica, ya que la primera se desarrolló a mediados del siglo pasado con la invención de los transistores de estado sólido y otras tecnologías como el láser, que son la base de nuestra economía actual», puntualiza Andrés Gómez Tato, administrador de Aplicaciones y Proyectos en el Centro de Supercomputación de Galicia, CESGA.

La clave está en saber para qué va a servir, qué nos va a traer y qué no desearíamos tener que ver. «En este momento, no podemos asegurar que esta tecnología sirva para encontrar la solución a todos los enigmas, pero sí que la computación cuántica acelerará los cálculos que pueda exigir», afirma. De hecho, este concepto aparece a principios de los años ochenta como la única forma probable de poder comprender computacionalmente sistemas cuánticos. Pero «tampoco es una tecnología mágica que solucione todos los problemas. En la actualidad se investigan las capacidades que aportará este nuevo paradigma de computación en muchos ámbitos. Algunas cuestiones parecen claras, como que la computación será híbrida, requiriendo tanto capacidades clásicas como cuánticas para computar», refiere. Todavía queda mucho por hacer y mejorar antes de que se consigan resultados contundentes que demuestren la ventaja. «Otros campos, como la sensórica, donde se pueden obtener medidas extremadamente sensibles, permitirán explorar e investigar temas hasta ahora imposibles, lo que podría ayudar también a encontrar soluciones a muchos enigmas actuales, pero sería presuntuoso asegurar que se podrán solucionar todas las incógnitas que tenemos», admite Gómez Tato. 

No es una caja mágica

La investigación en computación cuántica estudia los límites físicos del procesamiento de la información y está abriendo nuevos caminos en la física fundamental. Para Elías F. Combarro, catedrático del Departamento de Informática de la Universidad de Oviedo y representante de España en la junta asesora de la Quantum Technology Initiative del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), «se ha comprobado que, en ciertas tareas, la computación cuántica no puede acelerar los cálculos en comparación con los ordenadores convencionales. Por lo tanto, un ordenador cuántico no es esa máquina mágica capaz de resolver cualquier problema instantáneamente, como a veces se sugiere en los medios de comunicación; tampoco es una versión más rápida de un ordenador tradicional. Lo que distingue a un ordenador cuántico es su capacidad para ejecutar algoritmos que son completamente diferentes de los que utilizan los ordenadores clásicos. Esto significa que la ventaja de la computación cuántica aumenta con el tamaño del problema que se quiere resolver».

Aunque estamos inmersos en la segunda revolución cuántica aún queda tiempo para lanzar cohetes. Mikel Sanz, investigador del centro NQUIRE (https://nquirephysics. com) y del EHU Quantum Center de la Universidad del País Vasco, UPV/EHU, considera que «de esta segunda revolución hay que reconocer tres grandes líneas: las comunicaciones cuánticas, la sensórica y metrología cuántica y la computación y simulaciones cuánticas. Las primeras emplean los recursos cuánticos para aumentar la cantidad de información que podemos transmitir y asegurar la comunicación de tal manera que un espía no pueda acceder a la información» sin destruirla antes de descifrarla y a la vez delatarse. «En la sensórica y la metrología cuánticas se emplean dispositivos cuánticos para medir campos magnéticos o el tiempo, como los relojes atómicos, con una precisión extrema, o recursos cuánticos como el entrelazamiento para medir parámetros de un sistema, como distancias, velocidades o temperatura, con mayor precisión que cualquier método clásico que emplee la misma energía», afirma Sanz, involucrado en el computador cuántico que IBM instalará en el Donostia International Physics Center (DIPC). 

Sobre las posibilidades de la tecnología cuántica para resolver interrogantes, hoy en día indescifrables, Javier Mas Solé, profesor del Departamento de Física de Partículas de la Universidad de Santiago de Compostela y el Instituto GaleANDRÉS GÓMEZ Si la computación cuántica avanza como se prevé, el mayor impacto para la sociedad y la economía vendrá por el lado de la criptografía go de Fisica de Altas Enerxias (IGFAE) advierte que «por sí sola, la tecnología no suele ser la respuesta a los enigmas. Una tecnología mejor es una herramienta que ayuda a resolver problemas que pueden ser tanto teóricos como prácticos. Sin embargo, es necesario capacitar a científicos y tecnólogos en su uso. Ellos son quienes conocen las preguntas y los enigmas y buscarán las respuestas».

La paradoja de lo que se viene encima 

Se sabe que la computación cuántica cambiará el mundo. La pregunta es cómo. El cuándo más o menos se intuye: unos diez años. Para Gómez Tato «se esperan avances en varios ámbitos, aunque con la incorporación de nuevos investigadores –hasta ahora ajenos a este campo– que aportan conocimientos diferentes, probablemente se incremente el abanico de posibilidades. Se prevén avances significativos en criptografía y la posibilidad de romper algoritmos considerados seguros hasta hace no muchos años; en logística, por la posibilidad de resolver problemas combinatorios; en química, por la capacidad para comprender mejor procesos de alto interés industrial o en inteligencia artificial y posibles algoritmos más eficientes que los actuales».

En el mismo sentido, Mas Solé reconoce que «al ritmo actual, es muy probable que en diez años tengamos una computación cuántica capaz de ejecutar los primeros algoritmos cuánticos sin errores. De ser así, las promesas son importantes. Algunas tienen que ver con la posibilidad de diseñar fármacos de manera eficiente, algo que hasta ahora se hace de forma tediosa mediante prueba y error; un computador cuántico podrá albergar simultáneamente muchas configuraciones moleculares posibles y favorecer la probabilidad de escoger la correcta entre todas ellas. Otras se relacionan con la amenaza criptográfica, si se hace realidad la capacidad de romper las claves secretas RSA – iniciales de Ron Rivest, Adi Shamir y Leonard Adleman, autores que describieron el algoritmo en 1977– con las que compramos por Internet todos los días. Eso obligará a reconfigurar radicalmente el mundo de la ciberseguridad. Paradójicamente, la propia mecánica cuántica ofrece soluciones para una comunicación encriptada segura».

De hecho, insiste en que «durante la travesía de este desarrollo, permaneceremos en la denominada era NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum Computing), en la que los prototipos imperfectos y ruidosos que se van construyendo ofrecen ventajas marginales sobre los superordenadores clásicos en cierta clase de problemas. Entre ellos se encuentran los problemas logísticos, combinatorios, de análisis de riesgos, etc., con demanda en la economía del sector servicios. Sin embargo, existe una ventaja importante: el reducido coste energético de la computación cuántica. El consumo creciente es una barrera conocida para el desarrollo de inteligencias artificiales. La inteligencia artificial cuántica, incluso si solo sirviese para reproducir los logros de las redes neuronales profundas actuales, lo haría con un consumo energético mucho menor».

Si la computación cuántica avanza como se prevé, el mayor impacto para la sociedad y la economía vendrá por el lado de la criptografía. Al menos eso afirma Gómez Tato, para quien «los protocolos de seguridad que se aplican actualmente, así como la firma electrónica que usamos para muchas gestiones, podrían quedar seriamente comprometidos. Por ello, se trabaja intensamente en el desarrollo de la criptografía poscuántica, es decir, un conjunto de algoritmos que por diseño son resistentes a las capacidades teóricas futuras de los computadores cuánticos. Un segundo campo donde podría ocurrir una mejora sustancial es en el industrial, en general, y en el logístico, en particular. Dadas las características de la computación cuántica, puede abordar teóricamente de forma eficiente problemas de optimización combinatoria, que están presentes en muchos procesos de la economía, desde la planificación de la producción hasta el reparto de mercancías. Los procesos industriales asociados a los procesos químicos también podrían tener una mejora sustancial, ya que la computación cuántica proporciona algoritmos que teóricamente permitirían calcular cuestiones hasta ahora inalcanzables. Otros sectores que podrían alcanzar mejoras serían el bancario y el sanitario».

El experto del CESGA incide en que «a la vez que se avanza en este ámbito se mejoran los algoritmos clásicos e, incluso, ha aparecido una nueva familia denominada algoritmos de inspiración cuántica». Además, la computación cuántica ha de resolver múltiples retos tecnológicos. En su opinión, «tenemos muchas expectativas. Algunas encontrarán limitaciones que las harán inviables o generarán la necesidad de nuevos desarrollos tecnológicos clásicos o cuánticos. Otras llegarán a ser una realidad. Pero quizá es demasiado pronto para asegurar que todos los posibles beneficios y amenazas serán una realidad. Lo que sí es casi seguro es que veremos implantados los algoritmos de criptografía poscuántica, ya que la seguridad y confidencialidad de la información tiene que minimizar los riesgos de violar esas medidas de protección, y la computación cuántica es un riesgo cierto que es necesario atajar». 

Carrera empresarial

Google presentó en 2023 su segundo intento de ordenador cuántico. El hallazgo fue publicado en la revista Nature2 y representa la continuación de la «supremacía cuántica» lograda en otoño de 2019. Si todo va bien, habrá una computadora cuántica antes del fin de la década, aunque su salto del laboratorio a un uso extendido podría tardar más. En este intermedio hay una hermosa desolación.

Para Mas Solé se trata «de una revolución científica y tecnológica liderada por grandes corporaciones. Esto no había pasado antes. Grandes empresas, como IBM, Google o Microsoft, ya no hablan abiertamente de supremacía cuántica. La provocativa palabra abrió una competición entre los dos paradigmas de computación en el que ambas se han enriquecido notablemente. De hecho, los métodos clásicos han mejorado tanto que cada día se acercan más y estrechan el margen de ventaja cuántica, que es el concepto más modesto y adecuado que se maneja hoy en día. Hablamos así de computación clásica de inspiración cuántica. Para algunos, esto es lo que quedará al final».

La computación cuántica es la tecnología que se encuentra en un menor nivel de madurez, debido a la necesidad de controlar grandes cantidades de sistemas cuánticos (cúbits) con enorme precisión. Así lo considera Mikel Sanz: «como decía Bohr, es difícil hacer predicciones, especialmente sobre el futuro, pero esperaría ver notables avances en la ciencia de materiales, debido tanto al aumento de la capacidad de cálculo asociado propiamente a los ordenadores cuánticos como al impulso por las necesidades tecnológicas para su construcción. También esperaríamos ver avances en la capacidad de simulación de interacciones moleculares que nos permitan predecir el comportamiento de las moléculas sin necesidad de realizar costosos experimentos y ensayos clínicos, como en el caso de nuevos medicamentos». Otra posible área de avance es la física nuclear, «permitiendo predecir reacciones más eficientes o avanzar mucho más rápido en el problema del confinamiento de plasmas asociado a la fusión nuclear», afirma. En el grupo de investigación que lidera Sanz, trabajan también con otros temas de los que esperan un impacto importante a medio plazo, «como la simulación de la dinámica de fluidos turbulentos o ecuaciones diferenciales no lineales en colaboración con grupos de la Universidad de Nueva York (EE. UU.) y del University College London (RU)», señala.