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La computación cuántica, ante el reto de ser escalable

Hablamos con dos genios, el español Ignacio Cirac e Inmanuel Bloch, investigadores del Instituto Max Planck, sobre los retos a afrontar hasta la llegada de la computación cuántica

27 NOV. 2018 - Madrid
14 minutos
Inmanuel Bloch e Ignacio Cirac, en la Fundación Ramón Areces. / Pilar Brañas

Cuando Richard Feynman planteó, hace ya 30 años, los principios de la mecánica y la electrodinámica cuántica, pocos podían pensar que eso nos llevaría a un escenario donde los computadores, la criptografía o las comunicaciones estarían basadas en sistemas cuánticos. Ya no sólo eso: también elementos de metrología, como los gravitómetros más precisos cuentan en su seno con esta clase de tecnologías. No sería hasta finales de la década de los 90 cuando comenzara a estudiarse en profundidad desde la Academia estas posibilidades, iniciando un camino que sigue en plena ebullición.

El aterrizaje de todas las premisas sobre física cuántica en el ámbito de la computación se lo debemos, principalmente, a Ignacio Cirac y su colega Peter Zoller. Ambos publicaron, hace justo 20 años, un paper en el que planteaban los principios rectores de esta clase de sistemas. 

"Yo recuerdo ir a una charla en Munich, junto a Peter Zoller que era mi mentor en aquel momento, en la que había poca gente porque este era un problema muy complicado. En ella se mostró como, en base a los algoritmos de Peter Shor, se podrían vulnerar todos los códigos criptográficos existentes mediante tecnología cuántica. Pero la conferencia terminaba diciendo que nadie sabía cómo llevarlo a cabo, porque para ello había que construir el computador cuántico. Y nosotros nos miramos y dijimos: 'vamos a intentarlo'", explica Cirac, quien todavía rememora el escaso interés de la comunidad científica por este tema. "El paper fue prácticamente ignorado, apenas tuve citas... excepto por Bloch".

“No importa cuántos cúbits tenga un sistema, sino su calidad”, dice Bloch

El aludido no duda en tildar de "revolucionario" el trabajo del científico español: "Ese paper fue tan relevante porque fue el primero que mostró por primera vez cómo conectar lo que estamos haciendo en física cuántica con los nuevos materiales que estaban surgiendo de aquella", explica Inmanuel Bloch, quien no duda cuando le pregunto si su colega merece el premio Nobel (fue uno de los favoritos en las quinielas de este año): "Claro que merece el premio Nobel, pero es una cuestión de suerte y tiempo. En cualquier caso no trabajamos por premios, sino por la diversión de descubrir nuevas cosas".

Una curiosidad innata a este físico -a la sazón, premio Príncipe de Asturias- que le ha llevado a profundizar en muchos más aspectos relacionados con las tecnologías cuánticas, desde la descripción del comportamiento de los átomos en entornos complejos o, más disruptivo si cabe, en una Teoría de la Información para la computación cuántica. "He estado trabajando en ello. La idea es que, al igual que en los sistemas tradicionales cuando se produce un error no nos damos cuenta porque hay una teoría que lo resuelve, hacer lo mismo pero en cuántico".

Otra de las ideas que fascinan al científico español es la posible llegada de un Internet Cuántico. "Si puedes usar comunicaciones cuantica en internet, no tienes nada que perder: mejoras la seguridad y la eficiencia en algunos problemas de comunicación", explica Cirac. "Pero seguramente el requisito para poderlo conseguir sea tener el computador cuántico, lo cual puede pasar dentro de 10, 20 o 30 años. Es complicado predecirlo, pero muchas personas con las que hablo de la industria me están diciendo que quizás no sea tan descabellado pensar en diez años como un plazo lógico. Una vez que lo consigamos, muchos de nuestros sistemas actuales serán reemplazados por la tecnología cuántica".

Ciencia de materiales

Partiendo de las tesis planteadas por Cirac, el alemán Inmanuel Bloch ha ido desgranando muchas de las extensiones que podemos llevar a cabo de la tecnología cuántica, tanto en el ámbito de la computación como en el de la simulación.

En ese sentido, destaca su trabajo en el control y exploración de materia cuántica con átomos ultrafríos en 'optical latticies'. Un título abstracto y complejo de entender pero que Bloch consigue aterrizar de forma clara. "Imagina que quieres estudiar un material en detalle. Lo que la gente hace es construir un microscopio lo más preciso posible. Pues nosotros tenemos una aproximación radicalmente distinta: hacemos un material artificial 10.000 veces más grande que el original, con lo que podemos examinar el material sin necesidad de microscopios especiales", señala el científico.

"Lo que hacemos luego es jugar con los patrones de luz, hasta que parecen una suerte de cristales de luz, donde podemos ver los movimientos de los átomos e incluso controlarlos a nivel individual para probar distintas dinámicas. Además, todo sucede mucho más despacio, hasta 12 órdenes de magnitud más despacio, con lo que es más fácil observar los distintos fenómenos físicos". Entre otros casos de uso inmediatos, Bloch apela a la investigación en superconductores (que permiten el tránsito de electricidad sin apenas resistencia), unos materiales que conocemos desde hace mucho tiempo, pero de los que carecemos de las nociones más básicas sobre los mecanismos fundamentales que explican su funcionamiento.

Suena fascinante, pero todo tiene una pega: "El precio que hay que pagar es que hay que enfriar mucho el sistema, yéndonos a temperaturas ultrafrías que rondan el cero absoluto (un millón de veces más frío que la temperatura que hay en el espacio) para las que no hay sistemas de refrigeración en la actualidad".

Calidad, no cantidad

El camino hacia el computador cuántico no está, por tanto, exento de retos de calado. Y la mayoría de ellos tienen que ver con la dificultad de escalar los sistemas, tanto desde el punto de vista de la refrigeración como de multiplicar los cúbits (la unidad de medida en estas lides) sin que éstos pierdan calidad. Bloch consigue sintetizar estas dificultades con la precisión de un cirujano: "Esto no es como los semiconductores clásicos, que una vez que ya sabes fabricar uno es simplemente multiplicar hasta producir miles. La tecnología cuántica funciona de manera distinta y hay desafíos físicos, por ejemplo en los materiales, que todavía desconocemos cómo solventarlos. Hoy por hoy ninguna de las plataformas existentes ha conseguido superar este escalado".

Para el físico del Instituto Max-Planck, "el problema también llega cuando quieras aumentar la potencia, porque tienes que aumentar también la refrigeración y otros elementos, como los cables que conectan al sistema". Pero, sin duda, el problema en esta fase de escalado radica en el propio núcleo de los computadores cuánticos, pese a los ilusionantes anuncios de IBM, Google o Alibaba: "Nadie ha resuelto el problema de pasar de 10, 20, 30 cúbits a grandes cantidades. Y, además, el número es completamente irrelevante: si alguien viene y te dice que tiene 100 cúbits, puede que ese sistema sea peor que uno de ocho porque no se trata de una medición de la calidad. Es completamente estúpido e irrelevante, no hay que caer en la trampa de la cantidad de los cúbits, sino en la calidad de los mismos", señala Inmanuel Bloch.

"Y nadie ha conseguido solucionar el problema de hacer sistemas cada vez más grandes manteniendo la calidad de los cúbits. Nosotros hemos hecho en el laboratorio sistemas de 200.000 cúbits, pero nunca hemos compartido ese número porque no se puede comparar. Entiendo que los intereses de la ciencia y los departamentos de marketing de las empresas funcionan distinto, pero no debemos caer en la trampa".

Al respecto, Ignacio Cirac plantea una interesante reflexión: "Por un lado, estoy muy contento de que la industria haya empezado a mostrar interés por este área, porque esto impulsa su desarrollo. Pero tengo que admitir que, por otro lado, estoy preocupado por los mensajes que están transmitiendo las empresas, de que esto va a llegar mañana... Están creando esperanzas cuando hay que ser más precavidos".

Seguridad cuántica Para el germano Inmanuel Bloch, la primera aplicación ya consolidada de la tecnología cuántica es la criptografía. "La está bastante desarrollada, incluso a nivel comercial, mientras que otros ámbitos como la computación cuántica aún necesitan tiempo de trabajo hasta resolver desafíos esenciales, especialmente en su escalado".
Resolver cálculos imposibles "La computación cuántica nos dará el poder de llevar a cabo cálculos mucho mayores", explica Cirac durante la entrevista en la Fundación Ramón Areces. "Muchos de los casos de uso de los supercomputadores actuales serán también los de los computadores cuánticos: ciencia, materiales, biomedicina... Pero también otros relacionados con la optimización o el análisis de grandes volúmenes de datos".