Por Ricardo Viteri*

Hace más de 35 años, el legendario físico Richard Feynman pensó que ninguna computadora era lo suficientemente potente para realizar los cálculos necesarios para simular, en su totalidad, el comportamiento complejo de la naturaleza. Sin embargo, los sistemas en la naturaleza se comportan de manera predecible. Este comportamiento podría verse como un tipo de cálculo, uno que fue realizado por el mismo sistema. ¿Podríamos aprovechar, por ejemplo, las propiedades únicas de partículas subatómicas para realizar cálculos que están más allá del alcance de las computadoras tradicionales?

Estas ideas fueron consideradas una curiosidad por académicos durante años. Pero ahora, los avances teóricos y experimentales han alcanzado tal grado que compañías como IBM, Google, Microsoft e Intel no quieren perderse el nacimiento de una nueva industria.

Existe una carrera mundial entre empresas de tecnología, contratistas de defensa, universidades y gobiernos para construir ordenadores cuánticos. En los últimos tres años, inversionistas de capital de riesgo han colocado $147 millones en nuevas empresas de computación cuántica; los gobiernos a nivel mundial han proporcionado alrededor de $2200 millones a investigadores expertos en el tema. El Departamento de Energía de Estados Unidos gasta $250 millones al año en computación cuántica. Una fracción significativa de este presupuesto se destina al desarrollo de algoritmos que permitan avanzar las ciencias: química, materiales, física nuclear y de partículas.

Estas inversiones no sorprenden, ya que la lista de potenciales aplicaciones de la computación cuántica es larga. A las empresas les interesa su uso en temas que van desde la búsqueda en bases de datos, el análisis financiero, la inteligencia artificial, mejorar la predicción del clima, desarrollar catalizadores para energía limpia y fabricación química renovable, o hasta buscar planetas similares a la Tierra en el universo. En definitiva, cualquier desafío de simulación en la que los modelos de computación clásica no permiten obtener respuestas en tiempos humanamente razonables.

¿Cómo funciona la computadora cuántica?

La unidad fundamental de información en una computadora clásica es el dígito binario (conocido como bit). El elemento análogo en una computadora cuántica es la superposición de dos vectores bases y se lo conoce como bit cuántico o qubit. Las computadoras clásicas usan cargas eléctricas para representar bits, y realizan cálculos usando circuitos que implementan una lógica de verdadero o falso. Las computadoras cuánticas, en cambio, aprovechan las propiedades de partículas subatómicas y ondas electromagnéticas para representar y manipular qubits. Esta combinación de mecánica cuántica y electromagnetismo permite operaciones con matrices de números complejos de manera muy rápida.

Para realizar un cálculo con muchos qubits, todos ellos deben mantenerse en estados particulares, conocidos como estados cuánticos coherentes, en los que se dice que los qubits están entrelazados. En este estado, un ajuste a uno de los qubits puede influir en todos los demás. Los qubits son frágiles, por lo que fluctuaciones en temperatura, campo magnético, o vibraciones pueden conducir a una condición denominada como decoherencia (una fuga de energía que destruye el entrelazamiento).

En general, para implementar con éxito algoritmos cuánticos en una máquina es necesario satisfacer las siguientes cinco condiciones:

• Un sistema físico escalable con qubits bien caracterizados.
• La capacidad de inicializar el estado de los qubits a un estado fiducial simple.
• Largos tiempos de decoherencia.
• Un conjunto universal de puertas lógicas cuánticas.
• La capacidad de medir qubits específicos.

A esta lista se la conoce como los criterios de DiVincenzo. La tercera condición es la más difícil de cumplir y por esta razón intentos experimentales para satisfacer simultáneamente todos los cincos criterios son llevados a cabo bajo condiciones extremas: temperaturas sub-Kelvin, aislamiento del campo magnético terrestre, alto vacío y mesas experimentales de baja vibración. Hoy en día, un conjunto de múltiples qubits solo puede mantener su estado cuántico durante fracciones de segundo antes de entrar en decoherencia.

El poder de los algoritmos cuánticos

La primera prueba teórica de que la computación basada en la mecánica cuántica podría ser mucho más eficiente apareció en 1994. Peter Shor (Bell Labs) demostró que una computadora cuántica podría, en teoría, encontrar los factores primos de un entero mucho más rápido que los métodos informáticos clásicos. Este resultado es de gran importancia, ya que los sistemas de encriptación utilizados en todo el mundo se basan en el hecho de que las computadoras clásicas no pueden factorizar números grandes en un período de tiempo humanamente práctico. Las computadoras cuánticas algún día podrían decodificar el algoritmo de encriptación estándar y generar las contraseñas que utilizamos para comunicaciones confidenciales, acceso a cuentas bancarias, bases de datos, etc.

Dos años más tarde, Lov Grover, otro investigador de Bell Labs, demostró que una computadora cuántica podría encontrar ítems en una lista desordenada, como buscar a alguien en la agenda por su número de teléfono en lugar de su nombre. En la informática clásica, el algoritmo estándar inspeccionaría cada entrada hasta que se encuentre el número de teléfono correspondiente, que requiere tantos pasos de inspección como entradas en la guía telefónica. Grover demostró que una computadora cuántica podría resolver este problema en muchos menos pasos, específicamente, el número de pasos es igual a la raíz cuadrada de la cantidad de entradas en la guía telefónica. Encontrar el número de teléfono coincidente en una lista de siete mil millones de entradas (aproximadamente la población en la Tierra) requeriría menos de 84 mil operaciones, lo que reduciría significativamente el tiempo de búsqueda.

En general, los algoritmos cuánticos superan a sus equivalentes clásicos no porque funcionen con hardware más rápido, sino porque las matemáticas de la mecánica cuántica requieren de menos pasos para obtener un mismo resultado. Pero también es cierto que habrá algoritmos cuánticos que no sean superiores a sus equivalentes clásicos en algunas clases de problemas computacionales. De hecho, los investigadores todavía no conocen todos los tipos de problemas en los que la computación cuántica podría sobresalir. Esto hace que la aplicación “masiva” de computación cuántica pueda ser  demasiado onerosa, y es que hay situaciones en las que una simple suma, o el procesamiento de datos en forma paralela es suficiente para obtener un resultado. En este tipo de aplicaciones la computación clásica seguirá llevando la delantera.

Proveedores y plataformas de computación cuántica

Los primeros prototipos fueron utilizados para modelar la molécula de hidrógeno y factorizar el número 15. Estos experimentos fueron realizados utilizando diferentes tipos de ordenadores cuánticos en varias universidades, laboratorios nacionales y empresas de tecnología como IBM. El año anterior, en el sistema de 7 qubits de IBM fue posible modelar a una molécula de tres átomos, el hidruro de berilio. Volkswagen en marzo del 2017 comenzó a utilizar máquinas cuánticas de D-Wave Systems para optimizar el flujo de tráfico de 10 mil taxis en Beijing. Accenture y 1Qubit están trabajando con Biogen para acelerar el descubrimiento de fármacos al simular reacciones químicas. JP Morgan Chase está trabajando con IBM para usar computadoras cuánticas para el análisis de riesgos y estrategias comerciales. Por el momento, todos estos son problemas simples y fáciles de resolver en computadoras tradicionales.

IBM ha venido ofreciendo desde mediados del 2016 versiones tempranas de computación cuántica como un servicio (Quantum Experience) en la nube. La idea de que investigadores ejecuten algoritmos y experimentos ha sido un éxito. Hasta octubre del 2017, 56 mil usuarios han realizado 1.5 millones de experimentos y fruto de este proyecto se han logrado publicar 30 artículos en revistas indexadas. Otras compañías como 1Quibit, D-Wave, Microsoft y Rigetti Computing también han  desarrollado interfaces de programación para máquinas cuánticas.

Futuro

A pesar de que se ha demostrado teóricamente que con tan solo 300 qubits se puede representar simultáneamente más números que el número de átomos en el universo observable, aún se ve lejano el día en el que podamos contar con una máquina con dichas especificaciones. En IBM creen que procesadores cuánticos de 50 a 100 qubits estarán disponibles en la próxima década. La capacidad de procesamiento de una computadora cuántica aumenta exponencialmente con la cantidad de qubits, por lo que una máquina de 50 qubits excedería la capacidad de cualquier súper-computadora actual, y alcanzaría lo que los investigadores llaman la “supremacía cuántica”. A inicios de este mes de marzo, investigadores de Google en Santa Bárbara han anunciado pruebas con su computadora de 72 qubits, y esperan demostrar este mismo año la supremacía cuántica con su máquina. Por su parte Intel también ha proclamado que posee un ordenador cuántico de 49 qubits.

El alcanzar la supremacía cuántica no significa que usos prácticos de la computación cuántica están cerca, pero sin duda marcará un hito en la historia de la informática. Usos prácticos y generalizados de computadoras cuánticas llegarán, es cuestión de tiempo. Lo que está en juego es demasiado alto para ignorar esta tecnología aún incipiente.

_________________________

*Ph.D,  científico ecuatoriano de Entaglement Technologies. Participó, durante su postdoctorado en Georgia Institute of Technology, del grupo académico financiado por IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity) para la construcción y puesta a prueba de computadoras cuánticas.