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¿Resolverán los ordenadores cuánticos la crisis climática?

Claramente, no. Pero la supercomputación consume mucha energía y los ordenadores cuánticos podrían contribuir a reducirla.

Cabina de cristal que contiene torres de supercomputación en tonos gris oscuro y verde azulado, con estructura negra, dentro de una iglesia con techo rojo
El MareNostrum, el superordenador más emblemático del Centro Nacional de Supercomputación españolGemmaribasmaspochCreative Commons
Patricia Contreras
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Un superordenador de los que se utilizan hoy en día puede llegar a consumir tanta energía como una ciudad. A nivel mundial, las criptomonedas (como Bitcoin o Ethereum) consumen la misma energía que toda Suecia. Nuestros avances tecnológicos como sociedad dependen en gran medida de nuestras capacidades de computación, pero la sostenibilidad cada vez preocupa más a las empresas por las regulaciones legales y también por las demandas de sus clientes. Por eso la industria se plantea maneras de reducir su consumo energético y la computación cuántica se abre camino como una vía prometedora.

Ya es lugar común que las características singulares de la computación cuántica hacen que tenga el potencial de procesar gran cantidad de información en muchísimo menos tiempo que los ordenadores tradicionales. En lugar de basarse en los bits, como nuestros ordenadores habituales, las computadoras cuánticas funcionan con qubits, o bits cuánticos. Mientras que un bit solo puede estar en dos estados 0 o 1, un qubit puede hallarse en una mezcla cualquiera de 0 y 1, conocida como superposición.

El sistema formado por dos qubits puede estar en una superposición de cuatro estados posibles (00, 01, 10 y 11). Si hay tres qubits, la mezcla contiene hasta ocho estados, y así sucesivamente: cada vez que se añade un qubit, el número de estados que contiene la superposición se dobla. Es decir, la capacidad de los ordenadores cuánticos crece exponencialmente, que es muchísimo más rápido que la de los ordenadores tradicionales.

Una noticia buena y una mala

Hay más: la computación tradicional suele tratar de dividir los cálculos complejos en varias posibilidades que se puedan procesar en paralelo para luego elegir las más convenientes, ahorrando tiempo pero no energía. Pues bien, en computación cuántica, la paralelización ahorra tanto tiempo como energía. El truco está en que un ordenador cuántico puede actuar sobre cada elemento de una superposición de manera independiente y, lo que es crucial, sin invertir más energía.

Sin embargo, como en los chistes, tras esta buena noticia llega la mala: en computación cuántica es imposible leer el resultado de cada una de las posibilidades que se exploran en paralelo. ¿Qué se hace entonces? Combinar estas posibilidades, potenciando las que interesan y reprimiendo las que no, de forma que solo sobrevivan las posibilidades más convenientes. Claro está, hacer esto sin conocer de antemano el resultado de cada posibilidad es muy complicado, y ese es precisamente el arte de la computación cuántica.

Realizar esta combinación con éxito no requiere solo destreza técnica: se necesita también que la estructura matemática del problema sea la adecuada. Por eso no es tan fácil encontrar problemas que sean difíciles para los ordenadores tradicionales y que los ordenadores cuánticos actuales (limitados en cuanto a número de qubits) puedan resolver en un tiempo drásticamente menor. Lograrlo supone conseguir la ventaja cuántica, un hito tan anhelado como elusivo.

A la carrera de la ventaja cuántica

En 2019, Google anunció que su ordenador cuántico Sycamore había realizado una operación en 200 segundos (poco más de tres minutos) que a un ordenador tradicional le habría llevado 10 000 años. Misión cumplida, según proclamaron: habían logrado la ventaja cuántica. Pero poco tardó IBM en declarar que su ordenador tradicional podía realizar la misma operación en dos días y medio. Suponía un ahorro considerable con respecto a los 10 000 años que auguraba Google, pero quedaba aún lejos de la marca de Sycamore.

Solo un año más tarde, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China publicaba una nueva declaración de ventaja cuántica. Su ordenador cuántico había logrado resolver un problema 10 000 veces más rápido que cualquier ordenador tradicional. Esta vez, el problema estaba bien elegido para evitar exponerse a réplicas como la de IBM: supieron argumentar rigurosamente que para un ordenador tradicional no existía ningún método que pudiera acelerar la resolución. Como contrapartida, el ordenador cuántico estaba construido expresamente para esa tarea concreta, y no servía para resolver ningún otro problema.

Hace poco más de un mes, la empresa canadiense Xanadu anunciaba otro hito más en la carrera cuántica, ya que habían logrado resolver un problema en 36 microsegundos (esto es, 36 millonésimas de segundo) que un ordenador tradicional resolvería en una media de 9 000 años. La clave, según las declaraciones de la empresa, no estaba solo en la grandísima diferencia de velocidad, sino en que el ordenador cuántico que utilizaban servía para una gran variedad de tareas y utilizaba una tecnología diferente de la de Google.

Puesto que la ventaja cuántica se ha asentado como el santo grial de la computación cuántica, se ha vuelto un hito escurridizo que cada cual trata de definir a su conveniencia, con variaciones sutiles entre unas definiciones y otras, para proclamarse líder en el campo. Independientemente de qué definición sea la más convincente, tener un ordenador que resuelve en minutos un problema que antes tardaría miles de años abre la puerta a descubrir lo que hasta ahora estaba fuera de nuestro alcance. Los obstáculos matemáticos y físicos hacen que aún tengamos pocos ejemplos, pero la carrera continúa.

Más allá de la ventaja cuántica

Pero, ¿debe ser esta la única aspiración de los ordenadores cuánticos? Sin lugar a dudas, no: la computación cuántica puede aportar otra ventaja mucho más inmediata en cuanto al consumo energético a medida que crece la potencia de cálculo. La mayor parte de la energía que necesita la computación cuántica se destina al sistema de refrigeración que rodea a los ordenadores, ya que estos deben funcionar a temperaturas más frías incluso que el espacio exterior. En comparación con el refrigerador, el ordenador en sí gasta una energía ínfima.

Además, para doblar la potencia de cálculo de un ordenador cuántico se necesita añadir un solo qubit, lo que apenas cambiaría el consumo energético tanto del ordenador en sí como del refrigerador. En cambio, doblar la potencia de un computador tradicional requeriría un aumento de hasta el doble en el tamaño del ordenador. Cuando el superordenador más emblemático del Centro Nacional de Supercomputación español, el MareNostrum, multiplicó su potencia por diez en el año 2017, su consumo energético aumentó un 30 %. Un ordenador cuántico lograría un aumento comparable con solo cuatro qubits adicionales, sin apenas aumento de energía.

Por eso no hace falta conseguir una gran reducción en tiempo de cálculo para percibir el ahorro energético que puede aportar la computación cuántica: hay virtudes más allá de la ventaja cuántica. Mejor aún, la investigación en algoritmos cuánticos puede inspirar mejoras para la computación tradicional, mejoras que ahorren tiempo y, por tanto, energía, incluso sin necesidad de disponer de un ordenador cuántico. Por no hablar de que una aplicación muy prometedora para las computadoras cuánticas es precisamente el diseño de baterías más eficientes que permitan economizar energía en todo tipo de ámbitos fuera de la propia computación.

Por sí solos, los ordenadores cuánticos no resolverán la crisis climática. Pero hay razones sólidas para pensar que pueden suponer una aportación de valor en el que quizá sea el problema con más trascendencia de nuestro tiempo.

QUE NO TE LA CUELEN:

  • Hay muchos más ordenadores cuánticos en funcionamiento a día de hoy, además de los de Google, China y Xanadu que se mencionan en el artículo. Los cálculos que realizan se pueden ejecutar también en un ordenador tradicional, incluso uno de sobremesa, utilizando mucha menos energía. Pero cada vez se construyen ordenadores cuánticos mayores y se espera que, para ciertos tipos de cálculos, sean capaces de competir con los superordenadores actuales. Esos serán los que contribuyan realmente al ahorro energético.

REFERENCIAS (MLA):

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