La computació quàntica: promesa o realitat?

Un dels físics més brillants del segle passat, Richard Feynman, el 1981 va llançar la idea que teòricament seria possible utilitzar les propietats quàntiques de la matèria per fer un nou tipus d’ordinadors que obririen tota una sèrie de noves possibilitats. El problema era que ningú no sabia com fer-ho en la pràctica. Des de llavors les coses han canviat molt, fins al punt que ja podem preguntar-nos si els ordinadors quàntics encara són una promesa incerta o comencen a ser una realitat. I si és així, com afectaran la nostra societat i la nostra economia, i per tant la nostra vida.

Tot i que la física quàntica va començar a gestar-se a l’inici del segle XX amb els descobriments de Planck, Bohr, Heisenberg o Schrödinger entre d’altres, les seves primeres aplicacions pràctiques no van arribar fins força més tard. Va ser a partir de mitjan segle XX que es va produir el que es coneix com a “primera revolució quàntica”, que ens va dur avenços tan importants com els transistors, els làsers, la fibra òptica, la microscòpia electrònica, la generació d’imatges per ressonància magnètica, les plaques solars o els superconductors.

Ara ens trobem de ple en què alguns ja anomenen la “segona revolució quàntica”. La prova n’és que només fa un any els Premis Nobel de Física de l’any 2022 van ser atorgats a tres investigadors pioners en el camp de la informació quàntica. Els seus descobriments i els dels seus successors han obert la possibilitat d’una revolució tecnològica de gran importància basada en l’aplicació dels principis de la mecànica quàntica al disseny d’ordinadors. Aquests ordinadors quàntics podrien superar en teoria els ordinadors convencionals més potents, si més no per algunes tasques.

Ara bé, les dificultats tècniques a l’hora de construir aquests aparells són molt importants i durant un temps la promesa d’una innovació disruptiva en la computació ha semblat lluny. Però darrerament les coses sembla que avancen molt ràpidament. Els Estats Units i la Xina han començat una cursa desesperada per ser els dominadors de la tecnologia. Grans empreses tecnològiques com IBM, Google, Amazon o Microsoft hi estan invertint grans quantitats de diners, i estan sorgint un gran nombre d’empreses emergents que tenen per objectiu desenvolupar hardware i software per a ordinadors quàntics. Anuncis com el de Google l’any 2019 assegurant haver assolit l’anomenada “supremacia quàntica” amb el seu xip Sycamore o el d’IBM el 2022 presentant el processador quàntic Ospray de 433 qbits (equivalent quàntic dels bits) semblen presagiar grans coses. És hora, doncs, que ens plantegem si la vinguda dels ordinadors quàntics pot desencadenar canvis importants en la nostra economia i la nostra societat a curt o mitjà termini.

Els ordinadors quàntics estan especialment dotats per certs tipus de problemes. Vegem-ne alguns exemples.

Ciberseguretat. Hi ha algorismes quàntics que permetrien trencar amb relativa facilitat els sistemes d’encriptació RSA actuals basats en claus públiques i privades. Això podria tenir conseqüències catastròfiques a escala econòmica i social, ja que els sistemes actuals no serien segurs i tota la informació emmagatzemada amb encriptació des de fa dècades seria fàcilment accessible. Per altra banda, però, la tecnologia de computació quàntica permetria crear nous sistemes d’encriptació que farien impossible que un tercer pogués interceptar qualsevol comunicació sense ser detectat.

Logística. Els ordinadors quàntics són molt eficaços en problemes d’optimització combinatòria. Un cas clar en són el disseny de circuits de repartiment de mercaderies o l’optimització de rutes per part dels navegadors GPS.

Finances. Els inversors podran millorar amb els ordinadors quàntics el procés de determinació dels portafolis d’inversió òptims en cada moment. Actualment, això es fa amb ordinadors clàssics, però el gran nombre de combinacions possibles fa que la computació quàntica pugui donar millors resultats. Aquesta tecnologia pot millorar també les decisions de concessió de crèdit per part dels bancs o les d’arbitratge que aprofiten les variacions dels canvis de divises.

Enginyeria química. Les possibilitats de combinació dels àtoms de diferents elements a l’hora de formar noves molècules són gairebé infinites. Els sistemes de computació quàntica permeten tenir en compte alhora múltiples combinacions, i per tant són especialment adequats per trobar possibles noves molècules amb propietats interessants.

Fabricació avançada. Els ordinadors quàntics es poden utilitzar per analitzar grans quantitats de dades provinents de sistemes de fabricació complexos per identificar quines parts del sistema poden haver contribuït en incidents que es tradueixin en fallades de producte. Clarament, això pot implicar grans estalvis en els processos d’assegurament de la qualitat en algunes empreses.

Intel·ligència artificial. Moltes de les aplicacions de la IA comporten un procés d’optimització combinatòria de grans quantitats de dades que serveixin per realitzar prediccions i prendre decisions més acurades. Podem pensar, per exemple, en el reconeixement facial o la detecció del frau. La computació quàntica obre moltes oportunitats en aquest àmbit també.

Recerca i desenvolupament. Per la seva naturalesa, els ordinadors quàntics poden constituir un ajut inestimable en la simulació de tota mena de sistemes complexos, i per tant constituir una eina molt valuosa en la recerca científica i la seva aplicació pràctica. Com va postular Richard Feynman en la seva visió primigènia, la millor manera de simular els sistemes reals, que són quàntics, ha de ser amb ordinadors també quàntics. S’està treballant, per exemple, en la simulació de les col·lisions de partícules a altes energies que es produeixen als acceleradors de partícules, en la determinació de l’estructura de les proteïnes modelant el procés de plegament (protein folding) o en la simulació del procés de fotosíntesi de les plantes.

Abans de poder aplicar tot el seu potencial a aquests temes, però, els ordinadors quàntics han de superar encara alguns reptes. Primer, hauran de ser més escalables. La quantitat de qbits que l’ordinador sigui capaç de gestionar ha de ser força més gran que en els prototips actuals. Segon, han de millorar en la correcció d’errors. Aquest és un problema important a causa de la naturalesa dels sistemes de computació quàntica. Tercer, resoldre problemes tecnològics relacionats amb els diversos tipus de hardware que s’utilitzen per als ordinadors quàntics. I, finalment, desenvolupar nous algorismes quàntics més potents i amb noves aplicacions.

En tots aquests camps s’està avançant força. Sembla que en l’àmbit del hardware la producció de xips amb un nombre modest de qbits, però que es puguin connectar entre ells de manera modular, com és ara el processador Heron d’IBM de 133 qbits, pot ajudar a resoldre molts dels problemes d’escalabilitat i de correcció d’errors. I en el camp del software s’estan desenvolupant cada dia nous algorismes quàntics. A més s’està apostant per sistemes mixtos d’ordinadors quàntics i clàssics que treballin en conjunt aprofitant les millors qualitats d’uns i altres. Fins i tot la simulació d’ordinadors quàntics en ordinadors clàssics està donant resultats molt interessants.

Així, doncs, la promesa potser es tornarà realitat abans del que ens pensem…

Fonts d’informació:

BOVA, Francesco; GOLDFARB, Avi; MELKO, Roger (2021). «Quantum Computing Is Coming. What Can It Do». Harvard Business Review [en línia]. Disponible a: https://hbr.org/2021/07/quantum-computing-is-coming-what-can-it-do.

CANALS, Agustí. «Innovació quàntica: la pròxima onada de transformació digital?». Oikonomics [en línia]. Maig 2023, núm. 20. ISSN 2330-9546. https://doi. org/10.7238/o.n20.2302

GAMBETTA, Jay (2022). “Expanding the IBM Quantum roadmap to anticipate the future of quantum-centric supercomputing”. IBM. Disponible a: https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025

KATWALA, Amit (2021). Quantum computing: How it works, and why it could change the world. Random House Business.

LATORRE, José Ignacio (2017). Cuántica: Tu futuro en juego. Barcelona: Ariel.

ROVELLI, Carlo (2020). Helgoland. Milà: Adelphi Edizioni.

THE NOBEL PRIZE (s/d). «Nobel Prizes 2022». NobelPrize.org [en línia]. Disponible a: https://www.nobelprize.org/ all-nobel-prizes-2022/.