A la hora de determinar si existe realmente una ventaja cuántica hay que tener en cuenta muchos factores. No cabe duda de que este tipo de computación aún está en una fase embrionaria. Muy diferente es el estado de la computación clásica, que lleva décadas puliéndose. De ahí que la comparación, de momento, sea poco concluyente. Pero sí hay algunos detalles que merece la pena repasar.
La teórica ventaja cuántica
La aceptación general es que la computación cuántica permite resolver algunos problemas en menos tiempo y empleando menos recursos que la computación clásica. Germán Sierra, investigador y profesor en el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, lo ilustra con uno de los ensayos más reconocidos. “El ejemplo más llamativo fue obtenido por Peter Shor en 1995, cuando encontró un algoritmo cuántico para factorizar un número entero en sus factores primos en un tiempo polinómico en el número de dígitos, y no exponencial como en los algoritmos clásicos”.
Un tiempo polinómico, en computación, se da cuando lo que tarda el algoritmo en ejecutarse y obtener la solución es menor que un valor calculado a partir de las variables implicadas. Es una cifra muy inferior a lo que se considera un tiempo exponencial. “En este problema se produce pues una ventaja cuántica extraordinaria”, apunta Sierra en referencia al ensayo de Shor. “En otro tipo de problemas la ventaja cuántica es menor, como en los algoritmos de búsqueda de datos donde la ganancia es cuadrática, no exponencial”.
La computación cuántica proviene de la teoría de la información cuántica. En ella están contenidas las herramientas conceptuales básicas para desarrollar el software que se está implementando en los ordenadores cuánticos existentes. Y aquí es necesario hacer una aclaración. “Los ordenadores cuánticos son lo que llamamos hardware cuántico”, indica el investigador del CSIC. “Se mantiene la división tradicional entre software y hardware, como ocurre con los ordenadores clásicos. En la actualidad existe un desarrollo paralelo tanto del hardware y del software cuánticos”.
Y es que sin software cuántico los ordenadores de este tipo no pueden funcionar correctamente. Hay que adaptar, por tanto, los procesos a la nueva tecnología. Solo así se pueden explotar sus posibilidades.
Ordenadores cuánticos que superen a los clásicos
Sin embargo, aún está por ver de qué forma se manifiesta la ventaja cuántica. En septiembre de 2019 Google anunció que había alcanzado la supremacía cuántica con un sistema de 53 qubits (la unidad básica de esta tecnología, en comparación con el bit clásico). Su ordenador había logrado completar un cálculo complejo en 200 segundos. Y la compañía afirmó que una supercomputadora convencional habría tardado 10.000 años en resolverlo.
No todos estuvieron de acuerdo con esta estimación. IBM señaló que en realidad ese cálculo se podría resolver con un ordenador clásico en dos días y medio. Era una enorme diferencia —como destacó Google, en el caso de que la cifra comparativa fueran los dos dáis y medio— pero no una diferencia inasumible. Y de esto trata en realidad la supremacía cuántica, que consistiría en crear una máquina capaz de resolver un problema cuya solución no pudiera lograr un ordenador clásico en un plazo abarcable. Efectivamente los 10.000 años entrarían dentro de esta categoría, pero no así los dos días y medio.
En cualquier caso, unos meses después, en China, el equipo Jiuzhang, resolvió en 200 segundos un problema que a la supercomputadora más avanzada del mundo, la japonesa Fugaku, le habría costado 600 millones de años. Después estos investigadores mejoraron su propia marca con un abordaje diferente del asunto.
Los qubits: cantidad y calidad
IBM alcanzó la ansiada supremacía cuántica un año más tarde con su máquina Eagle. Superó por primera vez el umbral de los 100 qubits, con 127 qubits, aunque la compañía reconocía que el progreso del hardware no solo depende del número de estas unidades sino por la calidad y velocidad del rendimiento. IBM ilustró la proeza técnica diciendo que la computación clásica necesitaría más bits que átomos hay en cada ser humano del planeta para llevar a cabo el cálculo ensayado.
“En estos casos el cálculo en cuestión no tenía una aplicación práctica, salvo la de demostrar la superioridad de un ordenador cuántico frente al superordenador clásico más potente”, indica Sierra, que también confirma la necesidad de contar con otros factores, más allá de un alto número de qubits. “En este momento la carrera está en construir ordenadores cuánticos de entre 100 y 1.000 qubits donde estos qubits tengan calidad. Esto quiere decir que las puertas cuánticas y las medidas tengan el menor error posible. Nos hallamos en la denominada época NISQ (noisy intermediate scale quantum computers)”.
La llamada fase noisy intermediate scale quantum computers o NISQ define que los ordenadores que se construyen durante este periodo no tienen una diseño de tolerancia de gallos avanzado. Esto impide obtener una auténtica ventaja cuántica.
Cómo la computación cuántica puede superar a la clásica
Queda mucho por investigar. Para empezar los materiales de los que se fabrican las máquinas. “La mayoría de los ordenadores cuánticos actuales emplean las tecnologías de superconductores, pero existen otras realizaciones físicas que emplean iones atrapados, fotones o spines, por ejemplo. Cada una de ellas presenta ventajas e inconvenientes”, explica el investigador del CSIC.
Pero también es necesario mejorar ciertos aspectos básicos de cualquier sistema de computación. Hay dos que son claves. Uno, lógicamente, es la potencia. Esto pasa por aumentar el número de qubits, al igual que en computación clásica pasaba por aumentar el número de bits. El otro tiene más miga de lo que parece. Como se ha mencionado antes, se trata de conseguir una tolerancia a los fallos, algo básico y que la computación clásica ya tiene más que digerido desde hace décadas.
“Para superar a la computación clásica en problemas de interés científico o tecnológico será preciso aumentar el número de qubits y, en un futuro, alcanzar la computación tolerante a errores, que existe de forma teórica pero de la que aún se está muy lejos”, incide Sierra.
La investigación actual
Hoy por hoy existen múltiples programas para el desarrollo de esta ventaja cuántica. Se dan tanto en el ámbito de las empresas como en el de centros de investigación de carácter público. Pero Sierra hace hincapié sobre una cuestión que muchas veces se pasa por alto. Con todo, constituye una parte fundamental de la investigación en computación cuántica. Al igual que en cualquier producto que se ensaya, hay que encontrarle una utilidad.
“Si tuviésemos ahora mismo un potentísimo ordenador cuántico, digamos de miles de millones de qubits de gran calidad, nos encontraríamos a una situación similar a la que siguió el descubrimiento del láser”, comenta el investigador del Instituto de Física Teórica. “Sería un objeto maravilloso pero sin apenas aplicaciones prácticas. Así que uno de los frentes de la investigación actual es buscar aplicaciones prácticas de la computación cuántica”.
Los casos de uso se exploran en diversos campos, como la combinación de la inteligencia artificial y la cuántica, como la denominada quantum machine learning. “La química cuántica es otra de las áreas más interesantes con aplicaciones en la biología y en la agricultura”, expone Sierra. “En física de altas energías se podría aplicar a la recogida y procesamiento de ingentes cantidades de datos como los generados por el LHC, el acelerador de partículas del CERN, y a sus futuras versiones. Para el diseño de nuevos materiales también cabe esperar aplicaciones”.
En general, la ventaja cuántica será útil en todas las áreas científicas y tecnológicas que requieran el tratamiento de grandes cantidades de datos. Sierra destaca el trabajo que hacen en investigación compañías como Google. IBM o Intel. A ellas se unen centros universitarios y pequeños laboratorios repartidos por distintas partes del mundo. La labor de desarrollo es ecléctica, pero todos miran hacia un mismo destino. “De lo que no hay duda es que el futuro es cuántico y ya está aquí”, remata el investigador.
