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Los grandes retos que plantea la Computación cuántica, explicados por uno de los principales investigadores españoles
Investigación

Los grandes retos que plantea la Computación cuántica, explicados por uno de los principales investigadores españoles

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La computación cuántica va muy en serio. La llegada del primer ordenador cuántico comercial, el Q System One de IBM, nos ha demostrado que esta disciplina ha alcanzado una madurez difícil de imaginar hace no más de cinco años. Pero este no es el único hito del que hemos sido testigos recientemente. Además, IBM ha anunciado que ya tiene listo el primer ordenador cuántico comercial de 53 cúbits y un artículo de Google refleja que esta compañía podría haber alcanzado la «supremacía cuántica».

2019 está siendo un año muy prolífico en materia de computación cuántica, y tenemos razones para prever que durante los próximos meses llegarán logros muy importantes en esta disciplina gracias, sobre todo, al empuje de compañías como IBM, Google o Intel. Esta es la razón por la que creemos que es el momento perfecto para recurrir a un experto que pueda ayudarnos a entender la magnitud real que tienen estos avances y el impacto que la computación cuántica va a tener en nuestra vida a corto plazo.

Nuestro guía a lo largo de este artículo será Juan José García Ripoll, un investigador del Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) que desarrolla su actividad investigadora dentro del grupo de Información cuántica y fundamentos de teoría cuántica. En el impresionante currículo de Juan José destaca especialmente su posdoctorado de casi cinco años en el prestigioso Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania), pero, como vais a comprobar a continuación, sus mayores cualidades son su capacidad didáctica y de concreción.

Juan José García Ripoll desarrolla su actividad investigadora dentro del grupo de Información cuántica y fundamentos de teoría cuántica del Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas

Si estáis mínimamente familiarizados con la computación cuántica no tendréis ningún problema para comprender todo el contenido de este artículo. Y si no lo estáis o queréis refrescar los conceptos sobre los que se afianza esta disciplina os sugiero que echéis un vistazo al artículo que enlazo aquí mismo porque en él encontraréis todo lo que necesitáis para poneros al día en computación cuántica sin esfuerzo. Lo que va a contarnos Juan José es interesantísimo y puede ayudarnos a calibrar la relevancia de una ciencia que promete tener un impacto profundo no solo en computación, sino también en áreas tan dispares como la medicina o la ingeniería de materiales.

Computación cuántica: qué es y por qué es importante

¿Podrías explicar de la forma más sencilla y didáctica posible qué es la computación cuántica y por qué es importante?

La computación cuántica es una noción muy amplia. Consiste en procesar información utilizando sistemas cuánticos aprovechando el hecho de que la naturaleza, en el fondo, es cuántica. Lo curioso es que los ordenadores clásicos que estamos utilizando ahora mismo usan unas reglas muy diferentes a los fenómenos cuánticos que podemos encontrar en la naturaleza. Un ordenador convencional no se diferencia mucho de esos ordenadores electromecánicos que había hace décadas y que utilizaban relés, palancas y válvulas de vacío como conmutadores.

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Utilizar los dos estados (0 o 1, señal o no señal) con los que nos permiten trabajar los ordenadores clásicos es muy cómodo porque existe un formalismo matemático asociado muy potente, el Álgebra de Boole, alrededor del cual se desarrolla toda la teoría de la computación. Sin embargo, la mecánica cuántica nos enfrenta a otro tipo de reglas de la física que engendran una forma de calcular diferente. Ya no tenemos 0 y 1. Tenemos estados cuánticos y también el estado de superposición, que consiste en la posibilidad de tener distintas probabilidades de los estados 0 y 1.

Incluso tenemos la posibilidad de utilizar las superposiciones de muchos estados de un registro cuántico, de manera que si tenemos un registro cuántico de 8 cúbits tendremos 28 posibilidades. Lo realmente importante es que todo esto da lugar a una forma de calcular conocida como Teoría de la información cuántica que es el equivalente a la teoría de la información que se ha utilizado en computación clásica, pero que sugiere un potencial de computación superior utilizando estos sistemas. Aún hay muchas cosas que es necesario demostrar, pero sus posibilidades son prometedoras.

¿Cuál es exactamente tu área de trabajo en el contexto de la investigación en materia de computación cuántica?

El equipo del que formo parte trabaja en dos grandes áreas. Una de ellas es el hardware debido a que queremos crear mejores cúbits y hacer ordenadores más rápidos, lo cual es una paradoja cuando todavía no tenemos ordenadores que funcionen y ya necesitamos que vayan más rápido. Pues sí. Es así debido a que los ordenadores cuánticos que tenemos ahora mismo, como el de IBM o los últimos de Google, tienen el problema de que la información cuántica se destruye en un tiempo dado, por lo que necesitamos hacer en ese tiempo la máxima cantidad posible de operaciones. En nuestro grupo buscamos de manera creativa otras formas de trabajar con los cúbits, como superconductores, átomos atrapados en vacío, iones, etc.

La otra área en la que también trabajamos es la del software o la algoritmia, que consiste en determinar qué podemos hacer con los ordenadores cuánticos que tenemos. Qué operaciones tenemos disponibles. Qué problemas podemos traducir a ese pequeño ordenador cuántico que ahora mismo tiene nada más que 20 cúbits, y que nos pueden dar una pista acerca de lo que podremos hacer cuando tenga, por ejemplo, 100 o 200 cúbits. Esta última es un área que está muy por explorar y no tiene mucha visibilidad porque no hay tantos grupos ni tanta inversión como en lo que se refiere al hardware.

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Los investigadores del CSIC tenéis acceso al ordenador cuántico Q System One de IBM para poder seguir desarrollando vuestra investigación, pero este recurso lo tenéis desde hace solo unos meses. ¿No teníais anteriormente acceso a ninguna otra máquina cuántica? ¿Es posible investigar en computación cuántica sin tener acceso a un ordenador cuántico?

Se puede hacer mucho desde el punto de vista teórico porque los algoritmos surgen de la creatividad. Del papel y el lápiz. Hasta hace unos meses no teníamos ordenadores con los cuales pudiésemos programar esos algoritmos, pero podíamos diseñar pequeños simuladores que en un ordenador convencional y con un coste considerable imitan lo que hace un ordenador cuántico. Esto es lo que hemos estado haciendo hasta ahora, intentando en último término extrapolar cómo funcionará cuando sea tan grande que ya no lo podamos simular.

Hace poco el CSIC decidió potenciar esta investigación y buscar quién podía ofertar computación cuántica en el mundo. Salió un concurso y se presentó IBM, que en realidad es la única compañía que ofrece este servicio de manera regular a través de contratos con empresas, instituciones, universidades, etc. Para nosotros es una oportunidad porque nos permite acceder a un ordenador que, aunque tiene las imperfecciones de las que adolecen todos los ordenadores cuánticos, nos permite descubrir sus capacidades, aprender qué operaciones están disponibles, cómo mejorar los cálculos, qué limitaciones tiene… Es una herramienta útil.

¿Cuál es en tu opinión el grado de desarrollo de España en computación cuántica? ¿Estamos a la altura de otros países de nuestro entorno?

En el campo teórico sí. Pero en el campo del hardware, no. España tiene un gran bagaje en física teórica, una disciplina que no se refiere únicamente a la física de partículas, sino que tiene una noción mucho más amplia. Hay investigadores líderes en el mundo en esta área que se dedican al desarrollo de algoritmos y a la corrección de errores. Incluso hay pequeñas startups que están empezando a transferir tecnología de este mundo teórico a la industria emergente de tecnologías cuánticas.

Actualmente Estados Unidos y China son «la punta de lanza» mundial en computación cuántica

Sin embargo, en el campo del hardware estamos todavía atrás. Y no solo España, sino a nivel europeo. Hay varios ordenadores funcionando en Estados Unidos y China, y, aunque son más pequeños de lo que nos gustaría, al menos cuentan con algo que no tenemos en Europa. Aquí aún no tenemos ningún prototipo funcional más allá del campo de iones atrapados, que están limitados en el tamaño que es posible conseguir.

Nos queda mucho por recorrer, pero creo que España tiene capacidad para contribuir. Tenemos investigadores excelentes en el campo de la física de materiales, que, en el fondo, es el área de la que se nutre la computación cuántica para construir ordenadores con circuitos superconductores, semiconductores u otro tipo de sistemas. Hay una oportunidad muy interesante para crecer en este terreno.

Google y la «supremacía cuántica»

¿Qué opinas acerca del anuncio de hace unos días en el que Google afirmó haber alcanzado la «supremacía cuántica»? La retirada del artículo en el que los investigadores explicaban su logro poco tiempo después de su publicación da que pensar y algunos científicos ponen en duda que Google realmente haya alcanzando este hito.

Es importante tener en cuenta cómo funciona la publicación científica hoy en día. Los resultados de alto nivel están sometidos a periodos de embargo para evitar que haya terceros intereses que perjudiquen el proceso de referato, y que persiguen que la publicación sea juzgada internamente en la revista por sus asesores científicos y de la manera correcta. Además, las revistas y los centros de investigación establecen esos embargos para hacer los anuncios en el momento adecuado. Todo esto contribuye a que las cosas se liberen en el momento oportuno.

El hecho de que haya desaparecido ese borrador no es significativo per sé; probablemente han violado el embargo de forma accidental quizá debido a que la NASA tiene la obligación de almacenar todo lo que produce en un repositorio público. Pero se hace público cuando se tiene que hacer público. Y ha debido producirse un error. De todas formas, hay gente que conoce ese artículo y ha sugerido que es un borrador muy preliminar, por lo que lo prudente es esperar hasta que salga el artículo definitivo o se confirme si realmente eso funciona o no.

«Hay gente que conoce el artículo de Google y ha sugerido que es un borrador muy preliminar, por lo que lo prudente es esperar hasta que salga el artículo definitivo o se confirme si realmente eso funciona o no»

Aun así, todos hemos tenido acceso a ese borrador y la verdad es que es impresionante lo que apunta: un chip superconductor funcional con 53 cúbits de una calidad muy buena, con una velocidad de proceso mucho mayor que la que teníamos hasta ahora en este ámbito y con la posibilidad de crear estados de superposición enormes. Con esta tecnología es posible simular procesos físicos que son difíciles de simular en un ordenador clásico. Esto es lo que en investigación llamamos milestone, un hito al que hay que llegar y que nos permite resolver una tarea que no es fácil hacer con un ordenador clásico. Pero hay que demostrarlo.

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En ese caso ¿tienes la sensación de que Google tiene un hardware muy avanzado con el que realmente ha alcanzado la «supremacía cuántica»?

Lo que han hecho es simular un proceso físico. Han cogido 53 cúbits y los han sometido a una dinámica tal que si quiero imitarla en un ordenador clásico me va a costar muchísimo tiempo. Ellos hablan de 10.000 años, aunque es posible que con la creatividad que hay hoy en día alrededor del mundo sea menos. De cualquier forma, no es una ejecución de unos pocos minutos en el chip, que es lo que Google afirma haber invertido en este proceso. Esta diferencia tan abismal entre lo que es capaz de hacer el ordenador cuántico y lo que podemos hacer con uno clásico es un mensaje muy positivo.

Ahora lo que tenemos que conseguir es aplicar esa capacidad computacional extra a otros problemas. Cuando menos es un hito en hardware porque conseguir controlar 53 cúbits de esa calidad hasta hace poco era impensable. Esto de por sí es un hito, pero si ahora además demuestran que existe una ventaja computacional, será un segundo hito. De alguna manera estamos consolidando este campo, aunque también es cierto que en Google están despegando del resto de los investigadores tanto en recursos como en capacidad de trabajo.

Los desafíos de las tecnologías cuánticas

¿Cuál es el reto de mayor envergadura al que os estáis enfrentando los investigadores en computación cuántica? ¿Quizá cómo mantener bajo control el ruido y las perturbaciones que pueden decantar aleatoriamente la superposición cuántica e impedir el correcto funcionamiento de un ordenador cuántico?

Sí, desde el punto de vista del hardware el mayor reto ahora mismo es tener mejores cúbits y un control preciso de las operaciones que llevamos a cabo con ellos. Hay unos requisitos mínimos para una vez que tienes unos cúbits de una cierta calidad y unas operaciones con un control determinado escalar hacia la corrección de errores. Esta es la hoja de ruta en este campo. Nuestro grupo ahora está trabajando en obtener mejores cúbits, pero hay otro reto muy importante que consiste en encontrar aplicaciones para esta tecnología.

Hay páginas y artículos que se dedican a recoger los algoritmos y las aplicaciones que hay disponibles, y no hay tantas. En el fondo tenemos muy poquitos algoritmos potentes y los estamos reciclando para distintas aplicaciones una y otra vez, no siempre de forma eficiente. Necesitamos tener baterías de problemas que se puedan resolver en un ordenador cuántico o a los que un ordenador cuántico pueda contribuir para mejorar parte de la solución o hacerla más eficiente. Este es un reto computacional muy duro.

No todos los problemas de carácter computacional pueden resolverse mejor recurriendo a un ordenador cuántico, ¿verdad? ¿En qué áreas la computación cuántica es o será claramente superior a la computación clásica?

La computación cuántica en su formulación más amplia parece tener dos o tres nichos de aplicación. Uno muy obvio es la simulación de sistemas cuánticos, algo que suena muy exótico pero que en el fondo consiste en simular objetos, como pequeñas moléculas o macromoléculas, o incluso materiales. Estos sistemas se describen con mecánica cuántica, por lo que ya hay investigadores trabajando en cómo traducirlos al ordenador cuántico de forma eficiente. De hecho, hay artículos que proponen soluciones a problemas con pequeñas moléculas de dos o tres átomos que nos permiten comprender cómo se hace y desarrollar las técnicas.

«Todo lo que se refiere a las bases de datos no es muy accesible a un ordenador cuántico con pocos cúbits»

También hay otro campo llamado optimización cuántica que consiste en resolver problemas que tienen un coste que queremos minimizar. Esto tiene aplicaciones en el campo de la logística y las finanzas, entre otras áreas, y recurre a la capacidad del registro cuántico a la hora de explorar múltiples soluciones a un problema. Y hay otras áreas que se dedican a la física estocástica, a simular procesos aleatorios utilizando el hecho mismo de que el ordenador cuántico es una máquina aleatoria. El sistema de Google, precisamente, empuja en esa dirección porque es una instrucción de probabilidad muy compleja creada de manera muy artificial.

Pero hay otros problemas estocásticos de análisis de riesgo o simulación de instrucciones de probabilidad muy grandes que se podrían beneficiar de su codificación en un ordenador cuántico. Sin embargo, todo lo que se refiere a las bases de datos y a la necesidad de almacenar y procesar grandes cantidades de información no es muy accesible a un ordenador cuántico con pocos cúbits, con un ancho de banda muy pequeño y que ni siquiera tiene una noción de memoria como la que utilizamos en un ordenador convencional. Aquí la computación cuántica no tiene sentido, de la misma forma en que no lo tiene aplicarla a los ordenadores personales.

Los riesgos que conlleva la computación cuántica

Cambiando de tercio, el desarrollo de la computación cuántica hará vulnerables los algoritmos de cifrado que utilizamos actualmente. ¿Cómo podemos resolver este problema?

En principio creo que sí, y por esta razón hay un área de investigación en matemática y criptografía que es la criptografía resistente a ordenadores cuánticos. Es un campo de trabajo muy difícil y [hay gente que me discutirá esto] todavía no hay resultados «serios» que den una solución única. La alternativa al hecho de que muchos códigos se puedan romper con ordenadores cuánticos es utilizar los sistemas cuánticos para la criptografía. Consiste, por ejemplo, en utilizar los sistemas cuánticos para generar claves privadas en distintos puntos del planeta enviando fotones entrelazados a distintos puntos, como ha hecho China con su satélite Micius.

Europa también se ha puesto en marcha con una iniciativa que se llama European Union Quantum Communication Initiative, en la que participa España, para crear redes de criptografía cuántica para infraestructuras, pero en el futuro pueden terminar siendo comerciales y consolidándose como un accesorio para hacer más seguras las comunicaciones. Quizá esta es una de las tecnologías que tienen un grado de madurez más alto; de hecho, es comercial desde hace mucho tiempo. En cualquier caso, la criptografía cuántica puede proporcionar una solución práctica a este tipo de preguntas.

¿No debería entonces preocuparnos que los ordenadores cuánticos que ya están disponibles comercialmente, como los de IBM, puedan estar siendo utilizados para descifrar nuestras comunicaciones?

Para romper claves hacen falta ordenadores muchísimo mejores que los que tenemos ahora mismo. Las estimaciones describen ordenadores cuánticos que ya tienen corrección de errores porque necesitan aplicar algoritmos con muchísimas operaciones para hacer productos muy grandes, con muchos bits, que son los necesarios para las claves que tenemos hoy en día. El ordenador cuántico que rompe claves no es un desarrollo a corto plazo.

No obstante, la posibilidad de que se pueda construir en diez, quince o veinte años supone que comunicaciones que ahora mismo estamos distribuyendo y creemos que son seguras se pueden almacenar y romper en ese plazo. Por esta razón no es tanto la posibilidad de que las comunicaciones sean inseguras ahora como la probabilidad de que se vuelvan inseguras en el futuro. Tenemos que pensar en otro tipo de criptografía que sea resistente a estas incertidumbres futuras.

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¿Hay algún otro peligro o reto derivado del desarrollo de la computación cuántica por el que los ciudadanos debamos preocuparnos?

Por el momento la principal amenaza desde el punto de vista geoestratégico es la posible debilidad de las tecnologías de cifrado actuales. Ahora bien, el desarrollo de la computación cuántica puede representar una ventaja estratégica para una economía. Tener ordenadores cuánticos, ser el poseedor de esa tecnología y que los demás dependan de ti es un poco lo que ocurría hace muchos años con la computación tradicional. Europa ve que países como Estados Unidos y China están tomando la delantera en esta área y necesita ponerse al día para no quedarse atrás como en el campo de la microelectrónica.

«Europa necesita ponerse al día para no quedarse atrás como en el campo de la microelectrónica»

Hace menos de diez años Europa tenía la ventaja científica en este campo. La hemos perdido porque en un plazo de cinco años un par de empresas y laboratorios internacionales han invertido muchísimo dinero en potenciar a unos pocos grupos y conseguir un avance exponencial en esta materia. Esto demuestra lo importante que es observar qué es estratégicamente interesante y no perder la pista. Este es un campo muy claro que de alguna forma construyó Europa porque la computación cuántica hace veinte años era física «de locos». ¿Qué tiene que ver la cuántica con la computación? ¿Para qué sirve una superposición?

Europa fue capaz de mantener una investigación muy básica, muy rompedora que entonces no tenía un futuro muy claro, la avanzó muchísimo y cuando ha llegado el momento de realizar la transferencia al mundo de la industria nos hemos quedado atrás. Probablemente la culpa es de nuestro tejido científico y también de nuestro tejido empresarial, que es menos innovador y le cuesta más meterse en este tipo de líneas arriesgadas. Aun así, hay mucha tecnología cuántica que no estamos viendo. La computación cuántica es la más visible porque de alguna forma es la más loca, pero hay muchas líneas de investigación en tecnologías cuánticas, como los sensores o los simuladores cuánticos, que pueden tener a corto plazo un impacto muy grande en la sociedad.

Es necesario invertir para no quedarnos «descolgados»

¿Está España invirtiendo lo necesario para mantenerse en el «pelotón de cabeza» en materia de desarrollo en computación cuántica? ¿Por qué es importante que invirtamos y no nos quedemos descolgados?

Yo creo que no. No estamos invirtiendo en computación cuántica lo suficiente, pero tampoco lo estamos haciendo en otras muchas áreas. Es un problema de prioridad. Es muy difícil decirle al ministerio «pon dinero aquí y no lo pongas en biotecnología». Hay muchos proyectos competitivos, así que la gente aplica y al final se reparte muy poquito dinero que no es suficiente para mantener un nivel de competitividad como el que es necesario ahora para conseguir dinero de Europa.

«Algunos investigadores españoles han trabajado muy duro y tienen un prestigio internacional que se ve ahora reconocido»

La inversión en tecnologías cuánticas en España ha sido un campo muy marginal hasta hace poco, pero algunos investigadores han trabajado muy duro y tienen un prestigio internacional muy grande que se ve ahora reconocido. Pero si no ha habido una inversión durante los últimos diez años acorde a lo que han puesto Alemania, Austria o el Reino Unido difícilmente vamos a poder llegar a un nivel de competitividad tan alto como estos países. Pero esto no significa que tengamos la carrera perdida.

En muchas áreas pequeñas contribuciones pueden producir un salto no lineal. Hay expertos en España que trabajan en computación cuántica con moléculas. Implantan iones en macromoléculas, guardan la información en ellas y pueden hacer pequeños cálculos. Es una línea muy singular tanto en Europa como en el mundo que se podría potenciar. Hay muchas áreas en las que todavía se puede conseguir algo diferencial y en las que España puede contribuir de manera singular.

¿Qué impacto tiene la computación cuántica en nuestras vidas hoy, si es que tiene alguno? ¿ Y qué impacto tendrá en el futuro, especialmente cuando llegue la tan ansiada «supremacía cuántica»?

Hay distintos impactos. Uno es que yo el mes que viene voy a dar una charla en un instituto y puedo mostrarles cómo funciona un sistema cuántico en vivo. A mí me parece que esto es un hito importante porque nos permite acercar una de las áreas más exóticas de la ciencia a la gente, de manera que este conocimiento esté disponible para todos. En el ámbito de la formación creo que vamos a ver una revolución en la que la cuántica va a empezar a permear en distintas áreas. Va a entenderse mejor. Y va a tener aplicaciones en ingeniería.

Además, la computación cuántica se puede ir introduciendo en nichos de la industria en los que puede hacer contribuciones útiles a corto plazo, como química cuántica, diseño de materiales, problemas de optimización… Y también puede revolucionar la forma en la que entendemos la computación tradicional. La computación cuántica es algo muy exótico, pero algunos de los conceptos que maneja pueden ayudarnos a mejorar la forma en la que computamos tradicionalmente de la misma manera en la que ideas tan exóticas como el aprendizaje de máquinas y la computación neuromórfica han tenido un impacto en la computación clásica. No veremos ordenadores cuánticos en nuestro móvil, pero es posible que la teoría de computación también mejore gracias a lo que estamos aprendiendo en computación cuántica.

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Para concluir nuestra conversación, ¿qué aplicación futura de la computación cuántica es la que más te ilusiona o crees que tendrá un impacto más sólido y positivo en nuestras vidas?

Creo que las tecnologías cuánticas en conjunto van a revolucionar nuestra tecnología en el corto plazo, proporcionándonos formas mucho más eficientes de llevar a cabo procesos que actualmente tienen margen de mejora. Espero que la gente de química cuántica se vuelque en esta área y ayude a los que estamos intentando introducirnos en ella a buscar nuevos métodos y técnicas que reviertan en mejoras prácticas en la manera en que llevamos a cabo los cálculos.

Yo en particular estoy trabajando más en algoritmos numéricos, en la resolución de ecuaciones en derivadas parciales y en la simulación de procesos que tendrán aplicaciones en ecuaciones de fluidos, entre otras áreas. Es un poco más abstracto y quizá suena poco convencional, pero a lo mejor estas técnicas pueden aplicarse en ámbitos tan amplios como la ingeniería aeroespacial u otras disciplinas. Espero que en un plazo de cinco o diez años tengamos una imagen mucho más clara acerca de cómo podemos potenciar nuestra capacidad de computación con estas nuevas herramientas. Me haría feliz encontrar un par de aplicaciones en las que podamos tener una contribución singular, y que luego tiene utilidad. De lo contrario no estaría trabajando en ello.

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