La carrera cuántica

«La naturaleza no es clásica, maldita sea. Si quieres hacer una simulación de la naturaleza, será mejor que la hagas con la mecánica cuántica, y por Dios que es un problema maravilloso porque no parece nada fácil». Fue el gran físico Richard Feynman quién pronunció estas memorables palabras durante una conferencia que llevaba por título Simulando la Física con ordenadores en un congreso sobre Física y computación celebrado en el MIT en 1981. Se daba así el pistoletazo de salida a la apasionante carrera de la computación cuántica, una carrera que, como trataré de argumentar aquí, tiene su meta aún muy lejos.

Feynman no fue el primero en concebir los ordenadores cuánticos. En 1979, el joven físico estadounidense Paul Benioff ya había publicado un artículo estableciendo los fundamentos teóricos de la computación cuántica y lanzando ideas para construir un ordenador de estas características. El ruso Yuri Manin también había apuntado ideas similares en un libro publicado en ruso en 1980 que no fue traducido al inglés hasta varios años más adelante. Así que, como a menudo sucede en ciencia, Feynman llegaba a hombros de varios precursores, pero fue su celebridad, entusiasmo y poder de influencia lo que estimuló a otros investigadores para que imaginasen algoritmos cuánticos que pudiesen ser aplicados en la práctica.

El físico David Deutsch, trabajando en Oxford, describió en 1985 los desarrollos tecnológicos que eran precisos para construir un ordenador cuántico y, junto con Richard Jozsa, ideó después un procedimiento (conocido hoy como algoritmo de Deutsch-Jozsa) que demostró que los ordenadores cuánticos tenían potencial para superar de lejos a los clásicos. Partiendo de estos trabajos, Peter Shor trabajó, en 1994, en un algoritmo para descomponer números grandes en dos factores primos. Se piensa que este problema, que no se sabe resolver eficientemente con ordenadores clásicos, podría resolverse mucho más rápidamente en un ordenador cuántico.

Precisamente por la dificultad de su tratamiento, la factorización de grandes números enteros es el elemento central en la criptografía de clave pública que nos permite hoy cifrar mensajes y firmar digitalmente. Mediante este sistema, conocido como RSA (iniciales de los criptógrafos Rivest, Shamir y Adleman que lo idearon en el MIT en 1977), los mensajes se representan por números que son construidos mediante el producto de dos números primos muy grandes que, a su vez, se eligen al azar y se mantienen en secreto. Así pues, el sistema RSA es seguro mientras no se pueda factorizar el número que establece la clave, algo que, como decíamos y según los entusiastas de la computación cuántica, podría lograrse un día fácilmente con la informática cuántica.

Y es que las expectativas de lo cuántico están cada vez más presentes y han venido a crear una efervescencia que, de tiempo en tiempo, invade los medios de comunicación llenándonos de optimismo. Hace tan solo unos meses que asistimos a un cúmulo de noticias sobre la supremacía cuántica alcanzada por Google. Este término suena tan futurista que parece referirse a una superioridad superlativa lograda por alguna civilización del otro extremo de la Galaxia mediante tecnologías desconocidas por nuestra pobre sociedad retrasada. Sin embargo, se refiere al hecho de que Google, utilizando un calculador cuántico, argumentó que podía realizar una tarea muy concreta en tan solo 200 segundos, mientras que el ordenador clásico más potente habría necesitado 100 siglos.

La computación cuántica se basa en el fenómeno mecanocuántico de la superposición de estados. Gracias a esta propiedad, un sistema microscópico puede encontrarse en una combinación de estados propios bien definidos, así un fotón puede tener polarización vertical (0) u horizontal (1), o una combinación cualquiera de estos dos estados. Si un ordenador clásico está fundamentado en los dos bits 0 y 1, uno cuántico está fundamentado en cúbits (o qubits, bits cuánticos), que pueden tener un valor 0, 1, o una combinación cualquiera de estos valores. Cualquier sistema cuántico de dos niveles podría utilizarse para representar un cúbit en la práctica. Y gracias a la superposición de estados, los cálculos cuánticos son, intrínsecamente, cálculos en paralelo y la potencia de cálculo crece de manera exponencial con el número de cúbits que podamos manejar.

Pero la implementación práctica de cúbits y su manipulación está resultando muy compleja, pues hay que descender al control de las propiedades individuales de los átomos o de los núcleos atómicos. Por ello, la mayor dificultad técnica que hay que vencer para construir ordenadores cuánticos consiste en llegar a disponer de un número suficientemente grande de cúbits que puedan mantenerse en estados coherentes durante tiempo suficiente para llegar a efectuar los cálculos. Los ordenadores cuánticos deben refrigerarse a temperaturas cercanas al cero absoluto (273 Celsius bajo cero) y, por ahora, son capaces de manejar un número muy reducido de cúbits. Así, el calculador utilizado por Google para lograr la supuesta supremacía cuántica tan solo dispone de 54 cúbits.

Además de Google, otras grandes empresas del mundo de internet y de lo digital (IBM, Microsoft, Amazon, Huawei, etcétera) se han lanzado a la construcción de ordenadores cuánticos o al desarrollo de algoritmos cuánticos. IBM construyó en 2016 15 prototipos denominados Q System One que son utilizables a distancia, principalmente por investigadores que realizan experimentos con ellos. Y es que la mayor parte de las máquinas cuánticas disponibles tienen pocas aplicaciones prácticas por ahora.

Pero las expectativas creadas son muy grandes y nuestra sociedad es muy impaciente. Así que, además de estas empresas que he mencionado, los gobiernos de Estados Unidos, Europa y sobre todo China están incentivando con miles de millones de euros la carrera cuántica. Y subrayo el papel de China porque ostenta el récord en patentes en innovaciones cuánticas entre 2012 y 2017, y además ha proyectado invertir en este campo unos 10.000 millones entre 2017 y 2027, esto es unas 10 veces más de lo que prevé invertir Europa o EEUU.

Los ordenadores cuánticos prometen ser de gran aplicación en múltiples campos. La posibilidad de simular el comportamiento de las moléculas (algo demasiado complejo para la computación clásica) abriría muchísimas posibilidades en química, biología y medicina. Sintetizar moléculas para crear nuevos materiales con propiedades a la carta, tratar enfermedades neurodegenerativas, elaborar predicciones meteorológicas de alta precisión, organizar sistemas muy complejos de logística, transporte y distribución de energía, son algunas de las aplicaciones que, junto a las ya mencionadas de la criptografía y las de comunicaciones seguras, nos auguran un porvenir más basado en lo cuántico que en lo digital.

Sin embargo, los retos tecnológicos aún por superar son de gran calibre y tendremos que temperar nuestra impaciencia. Estamos aún lejos de llevar a la práctica el nuevo paradigma informático de forma que se produzca una auténtica revolución equivalente a la digital. Además, los sistemas de inteligencia artificial y de machine learning basados en ordenadores clásicos también siguen progresando. Por ejemplo, la supremacía cuántica de Google fue pronto contestada por IBM, quien argumentó que esa tarea bien programada en un ordenador clásico podría resolverse en dos días y medio.

Hay muchas razones para sentirse entusiasmado con estas nuevas tecnologías, pero la cuántica es una carrera de fondo. Aunque los fundamentos teóricos sean muy sólidos y se establecieran hace ya cuatro décadas, la meta de las aplicaciones prácticas aún se divisa lejos. Alcanzar esta meta todavía podría llevarnos unas cuantas décadas más.

Rafael Bachiller es astrónomo, director del Observatorio Astronómico Nacional (IGN) y autor de El universo improbable.

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