"Los simuladores cuánticos pronto serán realidad"

Los simuladores van a ser, casi con toda probabilidad, la primera gran aplicación de los ordenadores cuánticos. Y lo van a ser mucho antes de lo que se pensaba. En opinión de Juan Ignacio Cirac, director del Instituto Max Plank de Óptica Cuántica de Múnich (Alemania), en "cinco o diez años" los primeros simuladores podrían estar ya disponibles para dar el salto al mundo real. La teoría para conseguirlo, asegura, ya está prácticamente escrita, y los experimentos para probarla andan "a buen ritmo", como describe el propio investigador en un artículo publicado en Science (11 de julio). Cirac ha estado recientemente en España dirigiendo un seminario en el Centro de Ciencias de Benasque (Huesca).

Pregunta. ¿Qué es un simulador cuántico?

Respuesta. Es un ordenador cuántico ideado para comprender las propiedades físicas de la materia empleando las leyes de la mecánica cuántica. Para resolver problemas fundamentales en ciencia se emplean ecuaciones que no tienen solución con los ordenadores actuales pero sí la tendría en un ordenador cuántico. Para ello hay que describir los materiales según las leyes de la física cuántica y resolver las ecuaciones resultantes. De ahí que sea un simulador.

P. ¿Para qué un simulador si el ordenador cuántico puede tardar 50 años en llegar?

R.Los requisitos para construir un simulador cuántico son mucho más fáciles de conseguir que para un ordenador cuántico. Para que éste fuera realmente competitivo se necesitaría del orden de 10.000 qubits [unidades fundamentales en computación cuántica]. Para un simulador es probable que con 30 o 50 qubits sea suficiente para efectuar cálculos y resolver ecuaciones complejas.

P. ¿Qué tipo de ecuaciones serían las apropiadas?

R. Básicamente, ecuaciones de la mecánica clásica, la convencional. Por ejemplo, los investigadores buscan resolver nuevos materiales superconductores, cuyo principal problema es que sólo son funcionales a muy bajas temperaturas. En los últimos años se han descubierto superconductores a mayores temperaturas, pero todavía demasiado frías como para pensar en fabricar ningún objeto de interés. Pero si se pudieran entender sus propiedades tal vez podría incrementarse su temperatura y lograr construir un cable, algo que hoy es imposible. Los físicos han descrito varios modelos pero no pueden resolverse con los actuales ordenadores. Con los simuladores cuánticos podría darse con la solución. El principio es aplicable a otros sistemas con ecuaciones complejas como el diseño de aviones o modelos climáticos.

P. Dado el conocimiento actual, no obstante, este objetivo parece todavía lejano.

R. Hace poco más de cuatro años en el Instituto de Innsbruck propusimos los experimentos para lograr un sistema que permitiera aumentar el número de qubits de forma más o menos lógica. Propusimos también el diseño de puertas lógicas. Los experimentos se han hecho y se ha demostrado que el principio es válido para ir sumando qubits capaces de computar con un margen de error muy pequeño, cercano al 3%. El récord anterior estaba por encima del 30%.

P. Pese a todo, los ordenadores cuánticos actuales apenas han superado la fase teórica.

R. Es cierto. Pero había cuestiones que resolver. Había que comprender la física de este sistema para probar que el principio sobre el que se basa es correcto. Una vez probado, hay que hacer lo mismo incrementando los puntos del sistema hasta llegar a unos 10 qubits. Y una vez tengamos esos 10 controlados, debe ser la ingeniería la que proponga el mejor sistema. En cualquier caso, los principios generales ya están probados y las puertas lógicas perfectamente definidas. En un par de años se trabajará ya con cuatro qubits y se incrementará la cantidad hasta 10 en unos cinco años. El simulador cuántico, la primera gran aplicación, podría estar listo en cinco o 10 años.

P. Eso suponiendo que la teoría propuesta sea la correcta.

R. Hasta ahora no hemos propuesto ningún experimento erróneo. Puede suceder, y ocurre a menudo, que los experimentos no funcionen o no sirvan para nada. Eso es porque se definen teniendo en cuenta condiciones ideales. En la naturaleza no existen esas condiciones, hay múltiples interacciones que deben considerarse al diseñar un experimento.

P. ¿Serviría para algo más un ordenador con diez qubits que no sea seguir creciendo?

R. Cuando alcancemos esa cifra probablemente se abrirán dos líneas de investigación. De un lado, se intentarán sumar más y más qubits hasta llegar a los 10.000, el número que se piensa que debe tener un ordenador cuántico para ser competitivo. Del otro, se intentará llegar hasta los 30 qubits, cantidad suficiente para poner en marcha un simulador cuántico específico para caracterizar materiales o resolver modelos. En todo caso, no será un ordenador que pueda llegar al ámbito doméstico. Hoy por hoy nadie piensa en eso.

P. De ahí que no tenga sentido abandonar las actuales líneas de investigación en computación convencional.

R. Por supuesto, aunque nadie puede prever que ocurrirá en el futuro. Cuando surge una nueva tecnología suelen hacerse promesas de futuras aplicaciones que nadie sabe si van a cumplirse o si darán lugar a algo impensado. Pasó con el láser, cuya gran aplicación debía ser la investigación del espectro de los átomos. Nadie pensó que iba a usarse como lector en un equipo de música.

P. ¿La criptografía cuántica es una de esas aplicaciones impensadas?

R. Es posible. En cualquier caso, ha evolucionado mucho más rápidamente que la computación cuántica. Ahora mismo ya hay empresas que comercializan equipos en Suiza y en EE UU capaces de enviar mensajes secretos que son completamente inexpugnables.

P. Pero a distancias relativamente cortas.

R. Hoy es factible mandar mensajes hasta unos 50 km. Más allá estamos topando con un problema fundamental. Los portadores de la información secreta son los fotones y éstos son absorbidos por la fibra óptica que los transporta, de modo que cuanto más lejos se mandan, peor circulan.

P. ¿Es un problema irresoluble?

R. Hace un par de años propusimos establecer un sistema de repetidores cuánticos, algo así como amplificadores de señal. Se basan en sistemas formados por un conjunto de átomos capaces de absorber el fotón y luego reemitirlo con la misma información. En junio se publicó en Nature el experimento que demuestra que el fundamento del amplificador cuántico es correcto. En los próximos meses se publicará otro similar en Science.