La computación cuántica podría proporcionarnos máquinas mucho más potentes que las actuales, pero aún nos queda mucho camino por recorrer, afirman los líderes en este campo.
La historia tecnológica del siglo hasta ahora ha sido la llegada generalizada de la inteligencia artificial generativa, que impulsa las asombrosas capacidades de sistemas como ChatGPT y se está incorporando rápidamente a nuestra vida cotidiana.
Ya sea imitando la creatividad humana, actuando como un consejero empático o eliminando tareas burocráticas, la IA generativa ha provocado una oleada de entusiasmo sin precedentes por sus beneficios potenciales.
Igual de preocupantes son los posibles aspectos negativos: pérdidas catastróficas de puestos de trabajo, desinformación generalizada e incluso -en el extremo inquietante de la escala- la extinción humana. Por remota que parezca esta última posibilidad, los titulares más impactantes de la IA de hoy pueden quedar pronto relegados a notas a pie de página.
Entre bastidores hay una tecnología con el potencial de superar el ritmo de cambio que representa la revolución de la GPT, una tecnología que también podría proporcionar a la IA el combustible para cohetes que necesita para pasar de ser meramente sensacionalista a convertirse en una transformación masiva y universal: la computación cuántica.
Una vez en funcionamiento, los ordenadores cuánticos aumentarían exponencialmente la velocidad de procesamiento, lo que a su vez mejoraría enormemente nuestra comprensión del mundo, desde las complejas estructuras moleculares de las cosas (es decir, la química de prácticamente todo) hasta la forma en que los sistemas (como las economías, el movimiento de las personas en las ciudades, el clima) interactúan entre sí de maneras aparentemente infinitas e impredecibles.
Podría abrirse entonces un camino para curar enfermedades como el cáncer y el Alzheimer, o crear energías limpias con implicaciones para el medio ambiente que salvarían el planeta. La promesa dorada de la computación cuántica es, sencillamente, demasiado espectacular como para resistirse a ella.
Además, la computación cuántica es un complemento natural de la IA. Mientras que la IA aporta la capacidad de autosuperarse y aprender de sus errores, los ordenadores cuánticos añaden velocidad y potencia.
El CEO de Google, Sundar Pichai, ha declarado que «la IA puede acelerar la computación cuántica, y la computación cuántica puede acelerar la IA», sembrando una asociación que promete hacer por la inteligencia artificial creada por el hombre lo que Lennon y McCartney hicieron por la música popular.
Durante décadas, las máquinas inteligentes han pasado un «invierno de IA»: conseguían vencer a los humanos en el ajedrez y los juegos de preguntas y respuestas, pero enseguida se las sobrevaloraba y no alcanzaban todo su potencial.
Los rápidos avances recientes de la IA generativa, que comenzaron a mediados de la década de 2000, son para muchos una señal de que por fin ha llegado la primavera para el aprendizaje automático.
El mismo patrón de progreso podría darse pronto en el caso de los ordenadores cuánticos, que podrían representar «uno de los logros más espectaculares de la ciencia y la tecnología en este milenio, un hito en el ingenio y la aspiración del conocimiento humano», afirma el profesor Giulio Chiribella, director de la Iniciativa de Computación e Información Cuántica de la Universidad de Hong Kong.
El sector privado y los gobiernos están invirtiendo miles de millones de dólares en todo el mundo para conseguirlo (la inversión de China en computación cuántica desde mediados de los 80 se calcula en unos 25.000 millones de dólares), pero no será fácil.
Crear un ordenador cuántico plenamente funcional es una tarea muy difícil, porque los ordenadores cuánticos no se parecen en nada a los smartphones, portátiles, ordenadores de sobremesa o incluso superordenadores corporativos -denominados colectivamente «ordenadores clásicos»- que han configurado el panorama digital actual y en los que hemos llegado a confiar.
En lugar de los «bits» normales (dígitos binarios: las unidades más pequeñas de información) de un ordenador clásico, los ordenadores cuánticos se construyen con «qubits» (bits cuánticos).
Mientras que los bits pueden describirse como interruptores que están encendidos o apagados, gracias a la naturaleza fundamentalmente extraña de la física cuántica -un reino de incertidumbre y probabilidad- los qubits pueden estar encendidos y apagados al mismo tiempo, y en una enorme variedad de estados intermedios.
Parece imposible, pero así es como se comportan las partículas subatómicas, y los qubits están formados por átomos y partículas subatómicas.
Dada la escala y la naturaleza incierta de los qubits, son extremadamente difíciles de controlar de forma precisa y repetible. Por eso Chiribella insiste en que «construir un auténtico ordenador cuántico sigue siendo un reto tremendo».
Como son intrínsecamente frágiles, los qubits deben mantenerse aislados de cualquier interferencia externa, ya sea la observación humana o la interacción con partículas cercanas.
Una vez en peligro, los qubits entran en un estado de «decoherencia» y se vuelven -en la jerga de los laboratorios cuánticos- «ruidosos».
Tratar este problema del ruido es una de las principales dificultades a las que se enfrentan los informáticos cuánticos. Un método para controlar los qubits volátiles es mantenerlos a una temperatura cercana al cero absoluto (menos 273 grados Celsius/menos 460 grados Fahrenheit, aproximadamente la misma temperatura que el lugar más frío del espacio exterior), donde son más estables, razón por la cual las estructuras que los rodean parecen enormes lámparas de araña de latón: estos deslumbrantes tubos interconectados son simplemente el equipo de refrigeración.
Dados estos requisitos, cabe suponer que nadie se llevará pronto un portátil cuántico al trabajo, pero en el laboratorio empiezan a vislumbrarse las enormes posibilidades de la computación cuántica.
El objetivo final es aumentar exponencialmente la velocidad y la potencia de los ordenadores clásicos, que procesan la información de forma lineal. Los ordenadores cuánticos individuales, en cambio, están diseñados para realizar muchos cálculos en paralelo, al mismo tiempo.
Por supuesto, se podrían conectar varios ordenadores clásicos para trabajar en paralelo, pero ninguno de estos arreglos podría superar en velocidad a un único y potente ordenador cuántico. Cálculos complejos que los superordenadores clásicos tardarían miles de años en realizar podrían, en teoría, ser completados por ordenadores cuánticos en cuestión de minutos.
Para entender cómo funciona esto y darse cuenta del impacto potencial de los ordenadores cuánticos, es útil tener un poco de experiencia en física cuántica.
Los primeros atisbos del mundo microscópico de la mecánica cuántica proceden de las matemáticas y los experimentos mentales de Albert Einstein, Niels Bohr, Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg, entre otros, en la primera mitad del siglo XX.
La realidad que describían era casi imposible de comprender, incluso según ellos mismos admitían.
En su libro de 1992, «Sueños de una teoría final», el difunto escritor y físico Steven Weinberg se sentía totalmente justificado al utilizar la fantástica mitología wagneriana para describir las visiones que ofrecía la teoría cuántica: «A menudo nos sentimos como Sigfrido después de probar la sangre del dragón, cuando descubrió para su sorpresa que podía entender el lenguaje de los pájaros»
El hecho de que uno de los científicos más destacados del mundo encontrara tan mágica la visión cuántica del mundo da una medida de su fascinación y su maravilloso potencial.
No hay vuelta de hoja: el mundo cuántico es profundamente extraño y contraintuitivo. Esto se debe a que la forma en que se comportan las cosas a nivel subatómico es profundamente extraña y contraintuitiva.
La idea de un universo «mecanicista» -establecida por Isaac Newton y su mecánica clásica anterior a Einstein- parecía relativamente lógica y accesible. La visión cuántica de la realidad es mucho más desconcertante y menos intuitiva que la versión newtoniana, pero es algo que tenemos que aceptar.
«La naturaleza no es clásica, maldita sea», proclamó el físico Richard Feynman en 1981, cuando se empezó a pensar seriamente en aplicar la teoría cuántica a la informática.
Para comprender la naturaleza nebulosa de la realidad cuántica, sugería Feynman, necesitaríamos un nuevo tipo de ordenador: uno cuántico.
Dos de los aspectos más extraños de la mecánica cuántica -la superposición y el entrelazamiento- desempeñan un papel crucial en la informática cuántica.
La superposición cuántica confiere a los qubits su cualidad de «encenderse y apagarse al mismo tiempo», sin la cual no habría ordenadores cuánticos, y el entrelazamiento cuántico confiere a los ordenadores cuánticos su inmensa potencia, aumentando la capacidad de procesamiento a niveles exponenciales superiores a los de los ordenadores clásicos.
Ambas características son extremadamente extrañas en comparación con el mundo que podemos ver a nuestro alrededor. La superposición, que tiene que ver con la medición y observación de partículas, ha dado lugar a una serie de pintorescos experimentos mentales, el más famoso de los cuales es el Gato de Schrödinger (llamado así por el citado Erwin), atrapado en una caja, invisible, teóricamente vivo y muerto al mismo tiempo.
Así que existe esta paradoja, y nadie sabe realmente qué pasa exactamente con el entrelazamiento -ni siquiera los físicos más inteligentes-, porque propone que un par de partículas pueden compartir una propiedad que las une como un único objeto, sin importar lo lejos que estén: una puede estar aquí en la Tierra, la otra puede estar en algún lugar al otro lado del universo, no importa, siguen unidas como una sola.
El entrelazamiento era un reto incluso para Einstein, que lo llamó «acción fantasmal a distancia», pero en el siglo transcurrido desde su descubrimiento, los experimentos han demostrado que el entrelazamiento es real.
Gracias a los efectos verificables de la superposición y el entrelazamiento, la idea de un ordenador cuántico entra en el terreno de lo posible, al menos en teoría.
Sin embargo, crear un ordenador cuántico en el mundo real requiere mucho más que conocimientos de mecánica cuántica, y los mayores avances hacia una máquina cuántica práctica -una especie de momento «eureka»- han venido de las matemáticas, y de los revolucionarios algoritmos desarrollados por Peter Shor, profesor de matemáticas aplicadas del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).
Los algoritmos son conjuntos de reglas que permiten a los ordenadores realizar cálculos. En 1994, Shor escribió uno, inmortalizado como «algoritmo de Shor», que proporcionaba instrucciones para los ordenadores cuánticos imaginados por Feynman.
En otras palabras, había escrito el software en torno al cual podría diseñarse el hardware cuántico y, con ello, había iniciado la carrera hacia un dispositivo cuántico útil en la vida real.
Jungsang Kim -cofundador y director tecnológico de IonQ, cuya misión es construir los mejores ordenadores cuánticos del mundo- lleva casi dos décadas inmerso en los retos de fabricar y controlar qubits.
«El secreto sucio de los qubits es que puedes tener tantos qubits como quieras, pero los qubits no son ordenadores cuánticos, igual que el silicio o la arena de las playas no son ordenadores», explica.
«En primer lugar, hay que decirle al ordenador lo que tiene que hacer. En segundo lugar, debe dar la respuesta correcta de forma fiable. El reto de la computación cuántica es que los errores siguen siendo grandes.
por eso, cuando se le ordena a un ordenador cuántico que haga un cálculo concreto, el hardware no es perfecto y en algún momento se ve abrumado por el ruido y simplemente hará cosas al azar».
«Cuando un ordenador cuántico hace cosas al azar, no importa cuántos qubits tenga, obtendrá resultados inválidos»
Sin embargo, la solución al problema de los resultados no válidos de los qubits es relativamente sencilla: la corrección de errores. Según la mayoría de las estimaciones, alrededor del 90% de la potencia de procesamiento de cualquier ordenador cuántico tendrá que destinarse a corregir los errores de los qubits.
La buena noticia para los informáticos cuánticos es que, con los algoritmos adecuados, esto es totalmente posible. «La idea clave es que no hay que preocuparse [de los errores de los qubits]», afirma Spiros Michalakis, físico matemático del Instituto de Información y Materia Cuántica, que forma parte del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena.
«Lo único de lo que hay que preocuparse es de otro algoritmo más sencillo con características adicionales, que llamamos corrección cuántica de errores, porque se encuentran los errores, se corrigen y luego se continúa el cálculo»
IonQ, considerado uno de los líderes en la carrera por un ordenador cuántico útil, sigue lo que se conoce como el enfoque del «ion atrapado» para los qubits, en el que átomos de un elemento de tierras raras (itrio) son capturados y mantenidos en su lugar mediante campos electromagnéticos.
«Ahora sólo tenemos que seguir innovando para que se expanda», afirma Kim, que espera haber logrado avances mensurables «a mediados de esta década».
La técnica de iones atrapados de IonQ es uno de los muchos enfoques de la computación cuántica, cada uno de ellos basado en distintos tipos de hardware y distintas variedades de qubits.
Como explica el cosmólogo Andrew Pontzen en su nuevo libro «The Universe in a Box», «el hardware preciso es casi irrelevante: puede basarse en átomos, luz, metales superconductores o cualquier otra cosa que muestre un comportamiento cuántico».
Las llamadas máquinas superconductoras de qubits que están desarrollando varias empresas famosas -como Amazon Web Services, Google, IBM, Intel, Alibaba (propietaria del South China Morning Post) y Baidu- han llamado la atención porque el hardware incluye estas estructuras de refrigeración en forma de araña diseñadas para controlar los volátiles qubits.
«El diminuto chip que contiene los qubits apenas se ve con el ojo», dice Michalakis, cuando nos encontramos en el campus de Caltech donde Feynman había enseñado y Shor estudiado.
«Todo lo demás está ahí para enfriar [el chip], para que pueda seguir siendo cuántico y no se vea interferido por el entorno»
El físico teórico Alexei Kitaev desarrolló de forma independiente un enfoque completamente distinto del qubit -la computación cuántica topológica- y Microsoft lo ha utilizado como base para sus propias ambiciones cuánticas.
Sea cual sea el método que triunfe primero, o si la mejor solución para el hardware cuántico está en otra parte, superar los retos materiales y la tolerancia a fallos no será fácil.
Sin embargo, una vez plenamente operativos, los ordenadores cuánticos podrán hacer cosas que Michalakis califica de «increíbles». Podríamos ver, por ejemplo, mejoras significativas en la tecnología de las baterías.
Y en previsión de sus ventajas, la industria automovilística ya está colaborando con pioneros en el campo de la computación cuántica.
Daimler se ha asociado con IBM, Volkswagen con D-Wave Systems (una empresa canadiense de computación cuántica) y Hyundai con IonQ.
«Si se puede aumentar la densidad energética de la batería en un factor de dos, tres o cuatro, en lugar de 480 kilómetros se pueden recorrer entre 600 y 1.200 kilómetros con una sola carga», explica Kim. «Eso realmente empieza a cruzar el umbral en el que se vuelven mucho más atractivas que los combustibles fósiles. Y entonces sí que podemos incidir en el calentamiento global y todos estos problemas»
Un mejor conocimiento, a través de la computación cuántica, de la nitrogenasa -la enzima bacteriana que convierte el nitrógeno en amoníaco- podría suponer una gran diferencia en nuestras vidas, afirma Kim.
«Hay una forma clásica de convertir el nitrógeno en amoníaco, el proceso Haber-Bosch, que consume una buena parte de la energía que generamos por la noche para crear fertilizantes.
«Las bacterias lo hacen a temperatura ambiente, pero no entendemos su dinámica porque es muy complicada.
«Ahora, si realmente se puede entender esto, ¿significa que podemos ahorrar el 10% del consumo de energía que se utiliza hoy en día en la fabricación de fertilizantes? Absolutamente»
Del mismo modo, la informática cuántica podría desentrañar los misterios del secuestro de carbono, con claras ventajas para los esfuerzos por invertir el calentamiento global.
El diseño de fármacos a nivel molecular podría revolucionarse, abriendo nuevas posibilidades para las vacunas y, por ejemplo, el tratamiento personalizado del cáncer.
No hay duda: con una computación cuántica eficaz, nuestra comprensión de los procesos químicos podría llegar a ser divina. Las finanzas y la inversión también podrían verse revolucionadas por los qubits. La enorme variedad de factores que causan las fluctuaciones del mercado permite una gama casi infinita de posibles resultados, y modelizar estas posibilidades sería relativamente sencillo para los ordenadores cuánticos.
Las predicciones de los movimientos del mercado serían mucho más precisas. Los ordenadores cuánticos también serían un complemento natural para la optimización de costes y los problemas de eficiencia: «Como les digo a los empresarios, tomen cualquier algoritmo que necesiten actualmente para la logística de su negocio, y vean si estos teóricos han desarrollado un algoritmo cuántico que pueda manejarlo», dice Michalakis.
«Qué transformador sería eso para la vida»
Por ahora, seguimos en la era NISQ -Quantum Noisy Intermediate-Scale- a la espera del momento decisivo de la supremacía cuántica, cuando un ordenador cuántico demuestre inequívocamente ventajas significativas sobre los ordenadores clásicos.
Con su máquina Sycamore de 53 qubits, Google reivindicó prematuramente la supremacía cuántica en 2019 -lo que sigue siendo un hito fantástico según Michalakis-, seguida de reivindicaciones similares de investigadores de China en 2020.
«Un equipo dirigido por el profesor Pan Jianwei de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China llevó a cabo un experimento pionero en el que un ordenador cuántico basado en la luz llamado Jiuzhang realizó una computación más rápida que el mejor algoritmo clásico conocido en ese momento», dice Chiribella.
«Este experimento logró un aumento de velocidad de alrededor de un billón de billones de veces en comparación con una simulación clásica de fuerza bruta. Hoy se considera uno de los principales hitos en la búsqueda de la supremacía cuántica»
En 2021, Pan adoptó el enfoque de los qubits superconductores con un procesador cuántico de 66 qubits llamado Zuchongzhi, que desde entonces se ha utilizado en «una serie de aplicaciones interesantes para el estudio de la química cuántica y la materia cuántica», explica Chiribella.
Sin embargo, el momento de plena exaltación de la informática cuántica aún no ha sido universalmente aceptado. Los observadores destacan la naturaleza selectiva de los cálculos utilizados para determinar la supremacía y los continuos retos de la corrección de errores como pruebas de que el gran amanecer de la era de los ordenadores cuánticos se ha retrasado.
«La supremacía cuántica plantea dos retos», añade Chiribella. «Uno es conseguirla, y el otro es saber con certeza que la hemos conseguido»
Michalakis, como la mayoría de los expertos en la materia, practica la paciencia. «Intentamos difundir en el mundo mentes claras que puedan tomar el flujo de la excitación y alejarlo de la exageración y llevarlo a una investigación más profunda y reflexiva», afirma.
«En realidad, soy un optimista extremo. Creo que todo es posible: el universo proveerá, no importa lo que quieras, pero tienes que pedirlo amablemente»
Hay muchas tareas para las que los ordenadores clásicos son realmente buenos, y no tiene sentido recurrir a un ordenador cuántico».
Jungsang Kim, cofundador y director tecnológico de IonQ
Cuando se le pregunta cuánto tardará en llegar un ordenador cuántico potente, el gurú de los algoritmos Shor adopta un enfoque realista y cauto: «Creo que los ordenadores cuánticos seguirán mejorando y, finalmente, quizá en 20 o 30 años, serán lo suficientemente grandes como para hacer algo realmente útil», afirma. «Quizá, si somos listos, no tardemos tanto. Pero harán falta varios avances»
Mientras esperamos el próximo gran avance, ¿cómo será el futuro inmediato de la computación cuántica?
«Creo que muchas de estas metodologías, a medida que las exploremos, resultarán ser problemas híbridos», afirma Kim.
«Hay muchas tareas para las que los ordenadores clásicos son realmente buenos, y no tiene sentido recurrir a un ordenador cuántico. Creo que deberíamos utilizar toda la munición que tenemos en términos de potencia de cálculo clásica y luego conseguir el impulso -que los ordenadores clásicos nunca proporcionarán- con la computación cuántica.»
Una de las cosas en las que mucha gente se equivoca, dice Shor, «es que piensan que un ordenador cuántico puede hacer cualquier cosa que un ordenador clásico, sólo que mucho, mucho más rápido. Y resulta que sólo se pueden acelerar ciertos problemas en un ordenador cuántico». De ahí la probabilidad de un enfoque híbrido como el sugerido por Kim.
Se puede especular sobre a dónde nos podría llevar esta hoja de ruta, pero todos los escenarios se basan en el equilibrio entre promesas y peligros que se ha hecho familiar con el reciente auge de la IA generativa.
Por ejemplo, los ordenadores cuánticos tendrían pocas dificultades para descifrar los actuales sistemas de cifrado de datos y ciberseguridad y, como medida de precaución, ya se están diseñando herramientas para resistir futuros ciberataques por parte de dispositivos cuánticos que aún no se han construido.
Por otra parte, los posibles nuevos tipos de claves de cifrado generados por ordenadores cuánticos podrían ser mucho más seguros que los protocolos actuales. El modo en que el éxito cuántico afecte al estado de superioridad computacional dependerá, por tanto, del momento y el lugar de su llegada.
El destello de un arma de doble filo también aparece cada vez que se piensa en la esperada asociación entre la computación cuántica y la IA.
Por un lado, las oscuras aguas de la amenaza existencial; por otro -como escribe el físico teórico Michio Kaku en su último libro, «Quantum Supremacy»-, la promesa de un futuro brillante apuntalado por una inteligencia más allá de la humana: «La IA tiene la capacidad de aprender nuevas tareas complejas, y los ordenadores cuánticos pueden proporcionarle la potencia de cálculo que necesita […]»
«De hecho, la fusión de ambas podría revolucionar todos los ámbitos de la ciencia, alterar nuestro estilo de vida y cambiar radicalmente la economía».
«La IA nos dará la capacidad de crear máquinas de aprendizaje que pueden empezar a imitar las habilidades humanas, mientras que los ordenadores cuánticos pueden proporcionar la potencia de cálculo para crear en última instancia una máquina inteligente»
Resulta significativo que, en junio de este año, Pan y su equipo anunciaran otro hito de su máquina Jiuzhang: en las pruebas, realizó ciertos tipos de cálculos necesarios para la IA 180 millones de veces más rápido que el superordenador más rápido del mundo.
Incluso con todo el ruido y los errores, Jiuzhang sigue produciendo resultados impresionantes: motivo de gran optimismo entre quienes están decididos a ver por fin el día en que puedan dejar atrás el invierno cuántico.
Hasta entonces, podemos ocuparnos con la creciente constatación de que algo filosóficamente profundo ha empezado a impregnar nuestra conciencia compartida desde los laboratorios de los pioneros cuánticos del mundo.
La física cuántica te dice que debes ocupar todos los puntos de vista posibles porque no hay ningún punto de vista fundamental que sea mejor que el de los demás.
Spiros Michalakis, Instituto de Información y Materia Cuántica, Caltech
Para muchos físicos y matemáticos, cada etapa del camino hacia ordenadores cuánticos funcionales y revolucionarios presupone el reconocimiento de un objetivo aún más profundo: una mayor comprensión de la naturaleza de la realidad.
Esto también podría significar que hay que reconsiderar la naturaleza de la propia comprensión.
«La revolución de la física cuántica consiste ahora en un cambio copernicano de punto de vista», afirma Michalakis, evocando la vasta nube de posibilidades que encierra la improbable esencia de los qubits.
«La física cuántica te dice que debes ocupar todos los puntos de vista posibles, porque no existe una verdad fundamental. No hay un punto de vista fundamental que sea mejor que el de nadie. Todo el mundo está conectado. Todo el mundo está conectado»
Para Michalakis, esta convergencia de qubits, matemáticas y filosofía es crucial, esclarecedora y -en nuestro universo cuántico- inevitable: «En algún momento te das cuenta de que ha habido un malentendido sobre lo que debemos perseguir como seres humanos. ¿La búsqueda de la verdad? Eso es erróneo. Si no existe una única verdad -y si sólo existe la ilusión de una verdad común- entonces no deberías estar buscando la verdad. Deberías buscar la comprensión» Con contenido del SCMP.
