El leonés que construye el ordenador cuántico de Google tiene una buena noticia (y otra no tanto)

La ficción muchas veces nos anticipa el futuro de la tecnología, y en ocasiones, lo que se ve en las películas sirve para explicar avances en campos tan complejos de asimilar para el común de los mortales como la física cuántica. Si son seguidores de Marvel, seguro que tienen fichado a Ant-Man, un superhéroe con la capacidad de hacerse diminuto gracias a su traje y a una sustancia llamada Pym.

Cuando la utiliza, goza de poderes únicos y especiales, como la posibilidad de reducir su cuerpo a dimensiones subatómicas y entrar en lo que llaman el mundo cuántico. Los problemas del Hombre Hormiga surgen cuando intenta utilizarlos para hacerse gigante. Son múltiples los contratiempos que experimenta en el proceso, entre ellos, el tiempo que puede mantenerse en esa forma. Aquí va un spoiler: finalmente, como se muestra en las películas de Los Vengadores, logra dominar esa capacidad.

Salvando las distancias entre la ficción y la realidad, Google acaba de alcanzar un logro similar en la computación cuántica al que logra Ant-Man cuando consigue que la sustancia Pym le sirva para multiplicar su tamaño. Y lo ha logrado gracias a Willow, un chip desarrollado por la multinacional de Mountain View en sus laboratorios de Santa Bárbara, algo que, según sus responsables, allana el camino para lograr un ordenador cuántico funcional que pueda aplicarse a usos comerciales y, por tanto, reales despues de décadas de investigación.

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M. A. Méndez

En resumen, el ordenador cuántico está más cerca hoy que ayer, y hay un leonés implicado directamente en estos avances. Se trata de Sergio Boixo, director científico de Teoría de Información Cuántica de Google, empresa en la que lleva más de una década trabajando. En 2013 se unió a Google Quantum AI, un laboratorio creado en colaboración con la NASA. Ahora se sienta con El Confidencial para explicarnos la importancia de Willow y cómo este desarrollo acerca a la realidad uno de los santos griales que persigue la industria tecnológica desde finales del siglo pasado, un periodo en el que incluso muchos han perdido la fe en que los ordenadores cuánticos puedan llegar a ser algo real y, sobre todo, útil a corto plazo.

“Le pasa a todas las tecnologías, es un fenómeno que tiene nombre: ciclo de Gartner. Primero hay una época de expectativas altas, luego se ve que será complicado y llevará tiempo, y se entra en un valle de desilusión. Con la computación cuántica hemos pasado por varios valles”, reflexiona este ingeniero informático y licenciado en Filosofía. “Ahora hemos conseguido demostrar que una teoría de hace 30 años funciona experimentalmente. Hemos pasado de la teoría a la práctica, y el proceso, a partir de ahora, será mucho más rápido”, asegura, atreviéndose incluso a decir que en unos “diez años” podríamos tener un ordenador cuántico funcional y a prueba de fallos.

La teoría de la que habla Boixo es la de corrección de errores cuánticos, formulada por Peter Shor, matemático y físico teórico estadounidense reconocido por sus aportaciones a esta disciplina. Para entenderla, es necesario repasar brevemente el funcionamiento de la computación cuántica, sus particularidades y sus diferencias con la tecnología que mueve los superordenadores.

La computación clásica utiliza bits, que pueden tener un valor de 0 o 1. La cuántica utiliza qubits, que pueden tener un valor de 0, de 1 o de ambos simultáneamente. Si tienes dos bits clásicos, puedes representar cuatro combinaciones (00, 01, 10, 11), pero solo puedes procesarlas de forma secuencial. En cambio, con dos qubits puedes representar esas mismas cuatro combinaciones al mismo tiempo. Cada qubit añadido al sistema duplica las posibilidades: con tres qubits hay ocho combinaciones; con cuatro, dieciséis; y con diez, 1.024. Y así sucesivamente. Pero la gran ventaja de los qubits no solo radica en sus múltiples estados simultáneos, sino también en el entrelazamiento cuántico, una propiedad que les permite estar conectados entre sí de manera instantánea, independientemente de la distancia

Un buen ejemplo para entenderlo es imaginar un laberinto con cientos o miles de caminos, pero solo una salida. La computación clásica sería como un explorador al estilo Indiana Jones recorre con una linterna cada camino, uno a uno, hasta encontrar la salida, algo que podría hacer más o menos rápido según su condición atlética. La computación cuántica sería como un aventurero con un dron que, al elevarse, podría ver desde arriba qué senda recorrer. Incluso, si la tarea fuese complicada, podría conectarse con otros exploradores a distancia si el asunto se le atraganta. Si uno de estos refuerzos encontrase la salida, automáticamente el que está en el laberinto lo sabría.

"Después de 30 años, nos enfrentamos a problemas y retos más de ingeniería que de física teórica y eso lo va acelerar"

Los qubits son extremadamente frágiles. Por ejemplo, en el caso de IBM o Google, sus sistemas necesitan condiciones cercanas al cero absoluto para funcionar y mantener sus propiedades. Cualquier alteración, por mínima que sea, puede provocar un error que haga que pierda sus peculiaridades y se comporte como un bit. La teoría de Shor plantea, básicamente, añadir más qubits físicos al sistema para crear redundancia y que los qubits extra compensen los errores. Nadie lo había logrado. “Hasta ahora, cuantos más qubits se añadían, más prevalecían los fallos, y eso hacía que el ordenador se comportase como uno clásico”, añade el experto de Google. Recuperando el símil de Ant-Man, es lo que le ocurría cuando intentaba utilizar su traje para volverse gigante.

“Ahora hemos logrado justo lo contrario. Hemos demostrado que es posible hacerse más grande y que sea todavía más cuántico. Esa es la mejor manera de resumirlo fácilmente”. Ese es el principal logro de Willow. Tal y como explican en un paper publicado en Nature, los investigadores de Google utilizaron cuadrículas de 3x3, de 5x5 y de 7x7 qubits, logrando reducir la tasa de errores a la mitad en cada caso. Un logro “necesario” para escalar los sistemas con más y más qubits y crear un ordenador cuántico, como a Boixo le gusta llamarlo, “a prueba de errores”.

“Hemos tardado casi 30 años en pasar de la teoría a la práctica. Ahora nos enfrentamos a problemas y retos más de ingeniería que de física teórica y eso lo va acelerar todo”, comenta el ingeniero leonés, que insiste en que todo esto acelerará el desarrollo de los equipos. Eso sí, hay una mala noticia. “Si lo escalásemos con la tecnología que tenemos ahora, se podría hacer, pero sería muy costoso. Por eso, ahora tenemos que optimizar la ingeniería para que no sea tan caro, y eso nos llevará tiempo”.

Una tarea que requiere todo el tiempo del universo

Boixo calcula que “aproximadamente” diez años, aunque no se atreve a pillarse los dedos. Lo que sí aventura es que, en dos o tres años, tendrán en sus manos qubits lógicos, es decir, qubits suficientemente robustos para soportar errores.

Este es el principal logro de Willow, pero no el único. Este chip ha enterrado definitivamente el debate de la supremacía cuántica sobre la computación clásica. Lo ha hecho completando una operación en cinco minutos que a Frontier, uno de los superordenadores más avanzados del mundo, le llevaría aproximadamente 10.000.000.000.000.000.000.000.000 años. En el momento de la prueba, este equipo estadounidense era el más veloz que existía, pero recientemente fue superado por El Capitán, otro superordenador también de titularidad estadounidense.

Son tantos años que la cifra excede las escalas de tiempo conocidas en la física y supera ampliamente la edad del universo. “Este cálculo se ha simulado siendo generosos con las capacidades del superordenador y presuponiendo que haría cosas que no podría hacer”, explica Boixo, convencido de que la brecha entre la computación clásica y la cuántica es innegable.

Para medir el rendimiento del nuevo chip, se utilizó un test de estrés conocido como Random Circuit Sampling (RCS). Creado por Google en 2019, este método se ha convertido en una referencia en la industria y es utilizado por IBM y otros competidores para evaluar el desempeño de sus procesadores. El RCS, la tarea más compleja que puede realizar un ordenador cuántico, consiste en ejecutar circuitos cuánticos aleatorios, algo extremadamente difícil de simular con computación clásica.

La "segunda revolución cuántica", más cerca

Se trata de un avance que desbloqueará lo que este directivo denomina como “segunda revolución cuántica”. “Antes de los ordenadores ya hemos vivido una primera revolución de esta naturaleza, que nos trajo pantallas planas, láseres o semiconductores”, explica.

Pero Sergio Boixo lanza un aviso a navegantes: “La computación cuántica no es una computación más rápida. Es una computación diferente”. Por eso, se atreve a afirmar con contundencia que, en el futuro, convivirán los dos tipos de ordenadores. “A día de hoy, este ordenador cuántico es mucho más veloz en una prueba muy concreta. Probablemente, si lo utilizásemos para otras tareas convencionales, los superordenadores serían mucho más rápidos”.

PREGUNTA: Con esto último me ha pillado a contrapié, ¿para qué los vamos a utilizar concretamente?

RESPUESTA: Es una buena pregunta. Lo que sabemos es que se pueden utilizar para simular química y física en general. Hay varios ejemplos documentados en artículos en los que hemos trabajado con la industria. Por ejemplo, sabemos que se pueden usar algoritmos cuánticos para mejorar la tecnología de baterías y ayudar en la transición hacia energías limpias. También sabemos que podemos contribuir a alcanzar la fusión nuclear, una fuente de energía limpia. Asimismo, se pueden emplear para optimizar la fijación de nitrógeno, un proceso que consume el 2% de la energía mundial y es clave para la producción de fertilizantes.

P: Pero no tenemos todavía un ordenador cuántico para comprobarlo.

R: Exacto. Como no tenemos todavía ordenadores a prueba de fallos, los algoritmos cuánticos se diseñan, por así decirlo, con lápiz, papel y matemáticas. Hay que desarrollarlos a mano y eso es tremendamente complejo. Creemos que hay muchas más aplicaciones que se desbloquearán cuando tengamos los equipos necesarios. Ahora nos movemos en el terreno de la teoría. Es algo similar a lo que ocurría con la corrección de errores: era una idea que existía en teoría desde hace 30 años, y ahora hemos pasado a la práctica y a la realidad. Sabemos que podremos construir un ordenador cuántico.

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Una de las cosas más comentadas de esta tecnología es su potencial para poner en jaque y romper la criptografía actual gracias a su capacidad para factorizar números primos. “No sería razonable pensar que, de un día para otro, por ejemplo, dejen de funcionar las transferencias bancarias”, explica Boixo, quien llama a la calma. “Esto es un poco como el efecto 2000, cuando se decía que todos los equipos colapsarían. No pasó nada porque ya se había trabajado mucho tiempo antes en las soluciones necesarias. En este caso, se lleva mucho tiempo trabajando en criptografía postcuántica”. Añade que Google ya ha implementado medidas de protección de este tipo en herramientas como Chrome, Gmail y las comunicaciones con sus centros de datos. Otras compañías, como Apple, también han aplicado tecnologías similares en algunos de sus productos y servicios.

¿Cómo se comercializarán los ordenadores cuánticos? Boixo no cree que vayan a llegar a todas las casas, sino que su modelo será más parecido al de los superordenadores, en los que instituciones o investigadores pueden solicitar acceso durante un periodo de tiempo para ejecutar algoritmos especializados.

Otro aspecto a tener en cuenta es la factura eléctrica, algo que también se ha debatido mucho en el contexto de la inteligencia artificial generativa y su elevado consumo energético. “Hay problemas de química que hoy intentamos resolver en superordenadores clásicos, los cuales dedican entre el 30 y el 40% de su capacidad a estas tareas, consumiendo una enorme cantidad de energía. Esos problemas podrán ejecutarse en equipos cuánticos en mucho menos tiempo, lo que redundará en una mayor eficiencia energética”.