Computación cuántica: ¿promesa o realidad?

Uno de los físicos más brillantes del siglo pasado, Richard Feynman, expuso en 1981 la idea de que teóricamente sería posible utilizar las propiedades cuánticas de la materia para construir un nuevo tipo de ordenadores que abrirían todo un mundo de posibilidades. El problema era que nadie sabía cómo llevarlo a la práctica. Todo ha cambiado mucho desde entonces, hasta el punto de que hoy podemos preguntarnos si los ordenadores cuánticos todavía son una promesa incierta o ya empiezan a ser una realidad. Y si es así, cómo influirán en la sociedad, la economía y, por tanto, en nuestras vidas.

A pesar de que la física cuántica empezó a gestarse a principios del siglo XX con los descubrimientos de, entre otros, Planck, Bohr, Heisenberg o Schrödinger, las primeras aplicaciones prácticas de esta disciplina no llegaron hasta mucho más tarde. Fue a partir de mediados del siglo XX cuando se produjo lo que se conoce como la “primera revolución cuántica”, la cual aportó avances tan esenciales como los transistores, el láser, la fibra óptica, la microscopía electrónica, la generación de imágenes por resonancia magnética, las placas solares o los superconductores.

Ahora nos encontramos de lleno en lo que algunos ya denominan la “segunda revolución cuántica”. Prueba de ello es que el Premio Nobel de Física del año 2022 fue otorgado a tres investigadores pioneros en el campo de la información cuántica. Sus descubrimientos y los de sus sucesores han abierto la posibilidad de una revolución tecnológica de gran importancia basada en la aplicación de los principios de la mecánica cuántica al diseño de ordenadores. En teoría, estos ordenadores cuánticos podrían superar a los ordenadores convencionales más potentes, por lo menos en algunas tareas.

Ahora bien, las dificultades técnicas que encierra la construcción de estos aparatos son muy elevadas y, durante un tiempo, la promesa de una innovación disruptiva en la computación ha parecido diluirse. Pero últimamente parece que las cosas avanzan con mucha rapidez. Estados Unidos y China han empezado una carrera desesperada para hacerse con el dominio de esta tecnología. Grandes empresas tecnológicas, como IBM, Google, Amazon o Microsoft, están invirtiendo grandes cantidades de dinero, y hay un gran número de empresas emergentes que tienen como objetivo desarrollar hardware y software para ordenadores cuánticos. Anuncios como el que hizo Google en 2019, asegurando haber logrado la llamada “supremacía cuántica” con su chip Sycamore, o como el de IBM en 2022 presentando el procesador cuántico Ospray de 433 qbits (equivalente cuántico de los bits), parecen presagiar grandes desarrollos. Por ello, es el momento de preguntarnos si la llegada de los ordenadores cuánticos puede desencadenar cambios importantes en nuestra economía y nuestra sociedad a corto o medio plazo.

Los ordenadores cuánticos son especialmente aptos para solucionar determinados tipos de problemas. Veamos algunos ejemplos.

Ciberseguridad. Hay algoritmos cuánticos que permitirían romper con relativa facilidad los actuales sistemas de encriptación RSA basados en claves públicas y privadas. Esto podría tener consecuencias catastróficas a escala económica y social, puesto que los sistemas actuales no serían seguros y toda la información almacenada con encriptación desde hace décadas sería fácilmente accesible. Sin embargo, por otro lado, la tecnología de computación cuántica permitiría crear nuevos sistemas de encriptación que harían imposible que un tercero pudiera interceptar cualquier comunicación sin ser detectado.

Logística. Los ordenadores cuánticos son muy eficaces ante problemas de optimización combinatoria. Un caso claro es el diseño de circuitos de reparto de mercancías o la optimización de rutas en los navegadores GPS.

Finanzas. Con los ordenadores cuánticos, los inversores podrán mejorar el proceso de determinación de los portafolios de inversión óptimos en cada momento. Actualmente, esto se lleva a cabo con ordenadores clásicos, pero el gran número de combinaciones posibles hace que la computación cuántica pueda ofrecer mejores resultados. Esta tecnología puede mejorar también las decisiones de concesión de créditos por parte de los bancos o las de arbitraje que aprovechan las variaciones de los cambios de divisas.

Ingeniería química. Las posibilidades de combinación de los átomos de diferentes elementos a la hora de formar nuevas moléculas son casi infinitas. Los sistemas de computación cuántica permiten tener en cuenta múltiples combinaciones de manera simultánea y, por tanto, son especialmente adecuados para encontrar posibles nuevas moléculas con propiedades interesantes.

Fabricación avanzada. Los ordenadores cuánticos se pueden utilizar para analizar grandes cantidades de datos procedentes de sistemas de fabricación complejos para identificar qué partes de un sistema pueden haber influido en la aparición de incidentes que hayan dado lugar a fallos en el producto. Sin duda, esto puede traducirse en grandes ahorros en los procesos de aseguramiento de la calidad en determinadas empresas.

Inteligencia artificial. Muchos de los usos de la IA implican un proceso de optimización combinatoria de grandes cantidades de datos que sirven para realizar predicciones y tomar decisiones más cuidadosas. Podemos pensar, por ejemplo, en el reconocimiento facial o la detección del fraude. La computación cuántica también abre muchas oportunidades en este ámbito.

Investigación y desarrollo. Por su naturaleza, los ordenadores cuánticos pueden constituir una ayuda inestimable en la simulación de todo tipo de sistemas complejos y, por tanto, constituir una herramienta muy valiosa en la investigación científica y su aplicación práctica. Como postuló Richard Feynman en su visión primigenia, la mejor manera de simular los sistemas reales, que son cuánticos, tiene que ser con ordenadores también cuánticos. Se está trabajando, por ejemplo, en la simulación de las colisiones de partículas sometidas a altas energías que se producen en los aceleradores de partículas, en la determinación de la estructura de las proteínas modelando el proceso de plegamiento (protein folding) o en la simulación del proceso de fotosíntesis de las plantas.

Pero antes de poder aplicar todo su potencial en estos ámbitos, los ordenadores cuánticos todavía tienen que superar algunos retos. En primer lugar, deberán ser más escalables. La cantidad de qbits que el ordenador sea capaz de gestionar tendrá que ser bastante más grande que en los prototipos actuales. En segundo lugar, deberán mejorar en la corrección de errores. Este es un problema de peso debido a la naturaleza de los sistemas de computación cuántica. En tercer lugar, deberán resolver problemas tecnológicos relacionados con los diversos tipos de hardware que se utilizan para los ordenadores cuánticos. Y, finalmente, deberán desarrollar nuevos algoritmos cuánticos más potentes y con nuevas aplicaciones.

Se está avanzando bastante en todas estas cuestiones. Parece que, en lo relativo al hardware, la producción de chips con un número modesto de qbits, pero conectables entre sí de manera modular (como ocurre con el procesador Heron de IBM de 133 qbits), puede ayudar a resolver muchos de los problemas de escalabilidad y de corrección de errores. Y en cuanto al software, cada día se desarrollan nuevos algoritmos cuánticos. Además, se está apostando por sistemas mixtos de ordenadores cuánticos y clásicos que trabajen conjuntamente aprovechando las mejores calidades de unos y otros. Incluso la simulación de ordenadores cuánticos en ordenadores clásicos está dando resultados muy interesantes.

Así pues, la promesa quizás se haga realidad antes de lo que nos pensamos…

Fuentes de información:

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