La carrera por convertirse en la primera superpotencia mundial de la computación cuántica

Desde el diseño de nuevos polímeros y productos farmacéuticos hasta la modelización del cambio climático y el descifrado de la encriptación, las aplicaciones potenciales de la computación cuántica han desencadenado una carrera armamentística mundial.

¿Qué es la computación cuántica?

Desde el nacimiento del microprocesador de un solo chip hace 50 años, los ordenadores han realizado cálculos manipulando bits de información -unos y ceros- mediante diminutos transistores integrados en chips de silicio. Los procesadores modernos meten decenas de miles de millones de transistores en un chip del tamaño de una uña.

La computación cuántica elimina los transistores. En su lugar, los unos y los ceros -denominados "qubits"- se registran cambiando el estado de los objetos cuánticos, por ejemplo, cambiando la orientación magnética o el "spin" de partículas elementales como los electrones

Los ordenadores cuánticos más potentes de la actualidad sólo pueden encadenar unas pocas docenas de qubits, pero ya están dejando en evidencia a los superordenadores tradicionales más potentes en algunas tareas.

No se trata simplemente de una cuestión de potencia de procesamiento en bruto. Mientras que la carga eléctrica de un solo transistor puede representar un uno o un cero, un solo qubit puede representar simultáneamente un uno y un cero gracias a las peculiaridades de la mecánica cuántica

Esto permite a los ordenadores cuánticos procesar múltiples resultados simultáneamente y reducir drásticamente el número de pasos necesarios para abordar problemas complejos, resolviéndolos en minutos en lugar de en milenios

¿Quién lidera el camino?

Utilizar los bloques de construcción del universo para alimentar la próxima generación de superordenadores puede parecer ciencia ficción, pero la computación cuántica ya es una realidad. Estados Unidos y China están invirtiendo miles de millones de dólares en investigación y desarrollo, mientras que Europa también está invirtiendo mucho y se están produciendo avances en todo el mundo.

Además de las universidades, gigantes tecnológicos del sector privado como IBM, Microsoft, Google, Amazon, Alibaba y Baidu también están allanando el camino. Al mismo tiempo, las empresas emergentes están trabajando para resolver algunos de los retos que deben superarse para que la computación cuántica alcance todo su potencial.

En octubre de 2019, el laboratorio de investigación californiano de Google se convirtió en el primero en lograr la "supremacía cuántica", realizando un cálculo que sería prácticamente imposible incluso para el superordenador clásico más potente. El procesador Sycamore de 53 qubits de Google realizó en 200 segundos un cálculo que habría llevado al superordenador más potente del mundo 10.000 años.

La Universidad de Ciencia y Tecnología de China logró la supremacía cuántica sólo 14 meses después, afirmando que su ordenador cuántico Jiuzhang es 10.000 millones de veces más rápido que el de Google.

¿Qué retos hay por delante?

Aunque la supremacía cuántica es un gran logro, si la computación cuántica es un objetivo lunar, la supremacía cuántica es sólo el equivalente al primer vuelo espacial de Yuri Gagarin. Todavía quedan muchos retos por delante y es posible que los ordenadores cuánticos de pleno derecho y con tolerancia a fallos estén todavía a más de una década de distancia.

Hasta ahora, la supremacía cuántica sólo se ha conseguido utilizando ordenadores y cálculos especialmente diseñados para demostrar los puntos fuertes de la computación cuántica, pero no para resolver problemas del mundo real.

Un hito clave será lograr la supremacía cuántica "práctica" al abordar retos del mundo real, afirma el profesor Andrea Morello. Ganador del premio inaugural Rolf Landauer y Charles H. Bennett de la Sociedad Americana de Física en computación cuántica, Morello dirige uno de los equipos de investigación en computación cuántica de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sidney (Australia).

La supremacía cuántica práctica puede estar aún a una década de distancia, afirma Morello. Es difícil predecir qué problema se resolverá primero, pero una posibilidad es calcular una reacción química para sintetizar un nuevo fármaco.

Lograr la supremacía cuántica en la práctica requerirá la corrección de errores y la tolerancia a los fallos, de forma similar a los ordenadores tradicionales. La corrección de errores supone un reto a nivel cuántico, donde los qubits son muy susceptibles a las interferencias y sólo permanecen estables durante milisegundos, afirma Morello:

"La supremacía cuántica de Google se logró utilizando puertas de qubits 'sin corregir' y, aunque esto es impresionante, la corrección de errores se vuelve importante cuando se aspira a la supremacía cuántica práctica, de modo que se pueda confiar en el resultado lo suficiente como para aplicarlo al mundo real". La corrección de errores cuánticos se ha demostrado en el laboratorio y ahora se están invirtiendo muchos recursos para llevarla a cabo"

¿Cómo se utilizan hoy los ordenadores cuánticos?

Mientras se sigue avanzando hacia la supremacía cuántica práctica, los ordenadores cuánticos intermedios siguen ofreciendo una ventaja sobre los clásicos en determinadas aplicaciones optimizadas, afirma el analista graduado de GlobalData Sam Holt

"Puede que falte más de una década para que los ordenadores cuánticos sean totalmente universales y tolerantes a fallos, pero una avalancha de asociaciones recientes ha explorado casos de uso en dispositivos intermedios. En enero de 2021, por ejemplo, Roche anunció una colaboración con Cambridge Quantum Computing para desarrollar simulaciones cuánticas para el descubrimiento de nuevos fármacos para la enfermedad de Alzheimer."

Roche emplea algoritmos de escala intermedia-cuántica (NISQ) que carecen de corrección de errores, pero que siguen siendo útiles para algunas tareas.

Otro enfoque intermedio de la computación cuántica propone instalar procesadores de bajo qubit junto a los procesadores tradicionales para que actúen como "aceleradores cuánticos". Esto permite que ciertos aspectos del procesamiento se beneficien de la ventaja cuántica, de forma similar a como una CPU puede transferir tareas específicas a una tarjeta gráfica dedicada.

Incluso cuando se alcance la supremacía cuántica práctica, Holt afirma que es probable que las empresas de una amplia gama de sectores opten por alquilar tiempo en ordenadores cuánticos basados en la nube en lugar de invertir en su propio hardware.

"Las ofertas de nube cuántica de empresas como IBM están permitiendo la generalización de la computación cuántica. Las principales aplicaciones de la computación cuántica son la simulación, la optimización, el álgebra lineal y la factorización. Estas capacidades se están convirtiendo cada vez más en requisitos clave en una amplia gama de industrias. Las empresas de estos campos que no estén investigando al menos cómo la cuántica puede transformar su negocio se arriesgan a quedarse atrás."

¿Cuáles son las aplicaciones de la computación cuántica?

Cálculos

Incluso cuando se consiga la corrección de errores y la supremacía cuántica práctica, los ordenadores tradicionales seguirán siendo considerablemente más pequeños, más baratos y más prácticos para la mayoría de los cálculos, afirma Morello:

"Utilizar un ordenador cuántico para resolver la mayoría de los problemas es como utilizar un 747 para ir al supermercado. Al igual que un jumbo, la computación cuántica demuestra su valía cuando hay que hacer el trabajo pesado"

Química

La química se perfila como la primera aplicación mortal de la computación cuántica, que podría ayudar a la humanidad a afrontar algunos de sus mayores retos. En la actualidad, la producción de amoníaco, principal ingrediente de los fertilizantes, requiere hornos de alta temperatura que consumen el 2% de la energía mundial y producen el 1% de su producción de CO2. Las bacterias pueden producir amoníaco a temperatura ambiente y la computación cuántica puede ser la clave para entender y reproducir este proceso.

Nuevos materiales

En el ámbito de la fabricación, la computación cuántica podría utilizarse para desarrollar nuevos productos químicos, polímeros y aleaciones. La fabricación industrial aún tiene dificultades para duplicar muchos materiales con propiedades sorprendentes que existen en la naturaleza, como la seda de araña.

En peso, la seda de araña es comparable con el acero en cuanto a resistencia a la tracción, pero la seda no se forja en un horno. Dado que la seda de araña es una proteína formada por el ADN, la capacidad superior de la computación cuántica para modelar a nivel subatómico podría desbloquear la capacidad de fabricar materiales similares de forma ecológica, afirma Morello:

"La computación cuántica es una tecnología verdaderamente disruptiva que puede tener un valor gigantesco para la ciencia, la industria y la sociedad. Es una tecnología tan genuinamente transformadora que la gran mayoría de sus aplicaciones serán cosas en las que aún no hemos pensado: la computación cuántica ayudará a abrir nuevos mundos"