Dos pasos más cerca de los ordenadores cuánticos del futuro

Decía Isaac Asimov que la ciencia gana en conocimiento más rápido que la sociedad sabiduría. En los últimos meses hemos revolucionado nuestro conocimiento sobre el SARS-CoV-2 a un ritmo vertiginoso, pero también hemos visto cómo una inteligencia artificial vencía a los científicos en su propio campo, hemos visto llegar al mercado las primeras piezas de carne sintética y cómo la exploración espacial ya no es solo cosa de unas pocas agencias gubernamentales. Todo ello ha ocurrido en 2020, pero como sociedad todavía estamos procesando que esas ideas tan futuristas ya formen parte de nuestro presente.

Este mes, por ejemplo, está siendo como unas navidades adelantadas para quienes se dedican a las ciencias de la computación. En especial a la computación cuántica, una rama que se aprovecha de las extrañas propiedades del mundo de las partículas (fotones, protones, etc.) para crear ordenadores miles de veces más rápidos que las supercomputadoras más potentes. La casualidad ha hecho que, con apenas una semana de diferencia, dos equipos de investigación diferentes hayan presentado un avance bastante parecido que podría revolucionar esta disciplina para siempre.

Todo es mejor si le llamas “cuántico”

Existe cierta moda por la que las palabras con prefijos científicos triunfan. Anteponer “neuro-” a “educación” o a “márquetin” hace que parezcan más frescos, más modernos. Del mismo modo, la palabra “cuántica” se ha ganado cierto estatus entre el público general. Pero ¿por qué iba a ser mejor un ordenador cuántico que uno clásico? La física cuántica estudia el mundo de lo muy diminuto. Una escala en la cual las partículas que forman nuestros átomos comienzan a comportarse de manera extraña.

Popularmente se dice que estas partículas podrían estar en dos lugares simultáneamente, o tener al mismo tiempo cualidades diferentes (e incompatibles a ojos de la intuición). La realidad es algo más sutil que todo esto, y habla más bien de probabilidades. No es que la partícula esté aquí y allí, sino que su ubicación es probabilística, y tiene cierta probabilidad de encontrarse en un lugar o en otro, de tener unas características u otras. También es frecuente escuchar que esta ambigüedad de ubicación y propiedades desaparece tan pronto las miramos, que nuestra consciencia crea la realidad cuántica, pero se trata de otro malentendido. La palabra correcta es “observar” y no se refiere a posar nuestra visión sobre una partícula, sino a medirla de algún modo, a interaccionar con ella. No hay consciencia de por medio, aunque vuelve a ser más complejo de lo que podríamos explicar en un artículo. En cualquier caso ¿cómo puede aprovecharse todo esto para mejorar nuestros ordenadores?

Ceros Y unos

Lo que un ordenador clásico ofrece es, grosso modo, es un abecedario de ceros y unos con los que codificar y procesar información. La forma en que ordenamos estos dígitos en un ordenador o las letras 27 letras del castellano permiten almacenar información.

No obstante, al solo tener dos valores posibles, necesitamos largas cadenas de números para almacenar información sencilla. Por ejemplo: en binario cien se escribe 1100100 y un millón 11110100001001000000. A fin de cuentas, todo lo que un ordenador clásico puede hacer para almacenar información es dejar pasar corriente por uno de sus transistores (1) o cortar su paso (0).

Durante los últimos años hemos disfrutado de las maravillas de la Ley de Moore, por la que un ordenador doblaba su potencia de cálculo cada dos años. Sin embargo, esto no se debía a ningún cambio cualitativo, sino a conseguir diseñar transistores más pequeños para duplicar el número de ceros y unos con los que podía lidiar una computadora. Por desgracia, la física cuántica impone un límite a partir del cual ya no podemos miniaturizar más los transistores, por lo que necesitamos una nueva estrategia para crear ordenadores más potentes.

Por ejemplo ¿y si en lugar de cero o uno pudiera ser cero y uno? ¿Y si algo pudiera hacer las funciones de un transistor clásico estando no solo encendido o apagado, sino las dos cosas al mismo tiempo?

El bit cuántico

Cada uno de esos ceros y unos de las largas cadenas que corren tras las bambalinas de un ordenador reciben el nombre de bits, pero un ordenador cuántico tendría algo diferente: cúbits (o bits cuánticos), los cuales podrían tener dos valores simultáneamente. Puede parecer poca cosa, pero ofrece una posibilidad especialmente interesante.

Imaginemos dos bits de información, estos pueden encontrarse de cuatro formas diferentes: 0 0, 0 1, 1 0 o 1 1, pero solo de una de ellas. No obstante, si en lugar de dos bits fueran dos cúbits el primero podría ser cero y uno al mismo tiempo y el segundo tres cuartos de lo mismo, esto daría lugar a las cuatro combinaciones simultáneamente: 0 0, 0 1, 1 0 y 1 1. Cada nuevo cúbit haría crecer exponencialmente la potencia del ordenador, en lugar de hacerlo linealmente, sumándose como ocurre con nuestros ordenadores clásicos. Se estima que, gracias a esto, con unos pocos centenares de cúbits podríamos alcanzar una potencia de cálculo suficiente para simular cada partícula del universo. Por supuesto, habría otra serie de limitaciones que nos impedirían tal hazaña, pero nos da una idea del poder de esta nueva tecnología. Pero ¿con qué podríamos sustituir a los tradicionales transistores? Lo cierto es que a falta de una opción existen distintas aproximaciones posibles y unas cuantas parecen estar dando sus frutos.

Sin ir más lejos, en 2019 Google consiguió construir un rudimentario ordenador cuántico utilizando como “transistores” materiales superconductores. Aquel ordenador cuántico logró, por primera vez, efectuar un cálculo en menos tiempo que un ordenador clásico logrando lo que se conoce como “ventaja cuántica” (también llamada supremacía cuántica)

La luz al final del túnel

En esta ocasión, los dos estudios recién publicados han empleado fotones, un tipo de partículas que conocemos bien por ser las responsables de la luz y el resto de las radiaciones electromagnéticas (como las ondas de radio, las microondas o los rayos X). El equipo de Copenhague ha creado un chip 10 veces más fino que el cabello humano capaz de producir fotones codificando en ellos información aprovechando sus estados cuánticos. Es más, han conseguido que estas partículas sean suficientemente estables de modo que mantengan esas propiedades probabilistas de las que hablábamos antes y no colapsen en un estado clásico que las hiciera perder su preciada información. Esto último se conoce decoherencia y que es uno de los mayores retos a los que se enfrenta la computación cuántica.

Cada chip sería capaz de producir unos 122 millones de fotones por segundo controlando bien las características de estas partículas para asegurarse de que no existan diferencias no deseadas entre ellas. De hecho, es capaz de producir ristras de más de 100 fotones indistinguibles entre sí.

No obstante, el equipo danés no ha llegado a construir con estos chips un ordenador completo ya que requerirían una inversión de 10 millones de euros que, siendo parte de una universidad, no tienen. No obstante, afirman haber creado un buen “bloque de construcción” e insisten en que el resto de los pasos necesarios para construir la máquina completa son triviales, ya que contamos con un buen conocimiento sobre las tecnologías ópticas necesarias.

Por otro lado, tan solo seis días antes, otro equipo chino había publicado unos resultados bastante parecidos, al menos conceptualmente. Ellos también habían estado investigando la posibilidad de construir ordenadores cuánticos basados en fotones y dieron un paso más. El equipo empleó su tecnología para realizar la simulación de un sistema cuántico, en cualquier caso. El cálculo requerido para dicha simulación llevó tan solo 200 segundos, menos de cuatro minutos. Y aquí viene el dato que deja clara la potencia de estas tecnologías, porque según estima el propio equipo, la supercomputadora más rápida de todo China habría tardado 2.500 millones de años en realizar la misma tarea.

Ambos equipos catalogan sus logros como hitos clave en el desarrollo de la computación cuántica, aunque puede costar hacerse una idea de cómo puede verse reflejado todo esto en nuestra sociedad. La respuesta es compleja, pero sobre todo porque debemos de pensar en una estala diferente y no en la de nuestros ordenadores caseros.

¿Pero tanta diferencia supone un cúbit?

Puede parecer una minucia y, desde luego, cuando nos enfrentemos a pequeñas cantidades de información, no notaremos la diferencia en gran medida, pero es que estos ordenadores no están pensados para todos los públicos.

Podríamos compararlo con un nuevo tipo de coche capaz de viajar (por ejemplo) al doble de la velocidad usual. Tal vez tú no lo vayas a notar mucho si te limitas a viajar de casa al trabajo, tal vez reduzcas tu trayecto en 10 minutos y no te compense el sobrecoste de ese coche (o los riesgos que pueda suponer su velocidad). Sin embargo, si eres conductor de una empresa de transportes que cruza Europa varias veces al mes, reducir el tiempo de tus trayectos a la mitad puede ser una diferencia ya no de minutos, sino de días.

El equivalente de estas empresas de transporte son los profesionales que trabajan con cantidades descomunales de información, ya sea analizando los mercados bursátiles o haciendo un estudio epidemiológico sobre los factores que influyen en la gravedad de la COVID. Algunas tareas de computación tardan días o incluso meses, a veces ni siquiera resultan factibles. Las matemáticas saben bien que ciertos problemas clásicos pueden requerir más tiempo de computación que segundos durará el universo, simplemente no es posible enfrentarse a ellos con la computación clásica que tenemos entre manos. Ahí es donde entra la computación cuántica haciendo computables cosas que hasta ahora eran impensables.

Así que no, no todos tendremos este tipo de ordenadores en nuestras casas, pero desde luego, tendrán un papel fundamental en nuestro futuro, cada vez más informatizado, revolucionando a su paso todos los campos, desde la cosmología hasta la biomedicina.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Los ordenadores cuánticos no sustituirán a nuestros dispositivos domésticos, ni son la panacea ni están pensados para tareas de ofimática u ocio. No obstante, el impacto que tendrán en nuestra sociedad será mayúscula y palpable por todos.
• Por otro lado, hay quien se preocupa de que, con una potencia de cálculo tan abrumadora, cualquier ordenador cuántico sea capaz de desencriptar los códigos que mantiene segura la banca digital, siendo capaces de descifrar cualquier contraseña. No obstante, los expertos no están especialmente preocupados por esto, en parte porque los propios ordenadores cuánticos permitirán crear sistemas de cifrado más seguros, pero en especial porque se están desarrollando técnicas de criptografía cuántica que serían, directamente, imposibles de hackear.

REFERENCIAS (MLA):

• Han-Sen Zhong, et al. “Quantum computational advantage using photons”. Science. 2020.
• Ravitej Uppu et al. “Scalable integrated single-photon source”. Science Advances. 2020.