Así se monta un ordenador cuántico

La capilla del Barcelona Supercomputing Center tiene un nuevo inquilino. Esta antigua iglesia desacralizada, que desde el año 2005 ha albergado los superordenadores MareNostrum 1, 2, 3 y 4, hoy da un salto exponencial para convertirse en el hogar del primer ordenador cuántico español de acceso público construido con tecnología 100% europea. El proyecto Quantum Spain, encargado de materializar la iniciativa, cuenta con un presupuesto de 22 millones de euros que alimentan la construcción del ordenador, la generación del ecosistema que lo hará accesible y la investigación en algoritmia cuántica, pieza clave en el desarrollo de esta novedosa tecnología. El objetivo, continuando con la misión de los proyectos MareNostrum, es poner a disposición de la investigación española una herramienta que promete, en un futuro no muy lejano, revolucionar el modo en que entendemos el mundo, al permitir ampliar las posibilidades de exploración en campos tan diversos como el diseño de medicamentos, la física de materiales, las finanzas y la inteligencia artificial.

Pero ¿qué puede aportar un ordenador cuántico y cuál es la diferencia con uno tradicional? “No es sencillo explicarlo en una sola frase”, afirma Alba Cervera, la física encargada de coordinar el proyecto, y lo argumenta: “La respuesta rápida es que un ordenador cuántico es un ordenador que funciona con las reglas de la mecánica cuántica, pero a continuación tendríamos que explicar cuáles son esas reglas, y ahí ya nos metemos en un lío”.

Para entender la diferencia entre un ordenador cuántico y uno tradicional hay que entender la diferencia entre los bits y los cúbits. Un bit es la unidad de información con que se escribe el lenguaje que gobierna los ordenadores que conocemos y que, en código binario, puede ser expresado como un 0 o como un 1. Un cúbit tiene otro tipo de propiedades que tienen que ver con el mundo cuántico, en el cual una cosa puede ser varias cosas a la vez. Así, en lugar de un 1 o un 0, un cúbit puede ser un 0, un 1 o una mezcla de ambos: lo que se denomina una superposición de estados. Pero además de esto, los cúbits pueden comunicarse entre sí de manera que la señal enviada a uno afecte a los demás, apelando a otra de las propiedades cuánticas, que es el entrelazamiento. “Esto hace que su funcionamiento sea totalmente diferente al de los bits tradicionales y determina que los algoritmos con que se los programa tengan que ser también de una naturaleza completamente distinta”, explica Cervera.

No se trata, pues, de una cuestión de potencia de cálcu­lo, sino del tipo de operación que son capaces de llevar a cabo. Comparar la potencia de cálculo del superor­denador MareNostrum 4 con la del MareNostrum 5 es muy sencillo: 13.900 billones de operaciones por segundo contra 314.000 billones de operaciones por segundo. Cuando entramos en computación cuántica, la cuestión es más compleja porque se trata de operaciones radicalmente diferentes. Es verdad que los cúbits, al ser capaces de expresar un 0, un 1 y todos los valores intermedios, multiplican de forma exponencial la capacidad de los chips tradicionales, pero no es solo eso. Por un lado está el tema del entrelazamiento —el modo en que los cúbits se afectan unos a otros—, pero sobre todo está el hecho de que los algoritmos que gobiernan esos cálculos y esos procesos son de una naturaleza completamente distinta. Al responder a las propiedades cuánticas hacen que, en aquellas aplicaciones en las que resulten adecuados, nos ahorremos un montón de pasos, logrando que una operación que a un ordenador normal le hubiera tomado años resolver, un ordenador cuántico la pueda solventar en minutos.

“El ejemplo más inmediato es el de la criptografía”, explica Cervera, “es decir, la encriptación de la información. Una de las formas más utilizadas de criptografía se basa en el producto de dos números primos. Multiplicar dos números primos es muy sencillo. Pero si nos dan el producto de esa multiplicación y tenemos que averiguar qué dos números primos multiplicados dan ese resultado, la operación puede resultar realmente compleja: una tarea que a un superordenador común, y dependiendo de lo grande que sea el número dado, le puede tomar miles de años resolver”. En 1994, el matemático estadounidense Peter Shor desarrolló un algoritmo que, haciendo uso de las propiedades cuánticas, podía resolver este problema de una forma mucho más eficiente, de manera que esos miles de años se convirtieran en minutos. “No se trata de una cuestión de velocidad, aunque el resultado sea ese, sino de un tipo de algoritmo diseñado especialmente para aprovechar las propiedades cuánticas de manera que pueda resolver el problema utilizando muchísimas menos operaciones, lo que redunda en un tiempo de resolución mucho menor y también en un considerable ahorro energético”, aclara Cervera.

La dificultad radica en que el hardware cuántico todavía no es capaz de soportar este tipo de operaciones. Siendo optimistas, de hecho, y aún para algoritmos que teóricamente se han mostrado funcionales —como es el caso del algoritmo de Shor—, faltan al menos 15 años para que la tecnología pueda aprovecharlos. El funcionamiento de un ordenador cuántico es todavía muy inestable y se cometen muchos errores. El gran desafío consiste en ir corrigiendo esos errores para lograr procesos fiables.

Se ha dicho que un ordenador cuántico podrá solucionar todos los problemas de la humanidad porque es capaz de analizar todas las soluciones al mismo tiempo, y esto tampoco es así. Hay que tomar en cuenta que tener todas las respuestas es lo mismo que no tener ninguna. “Lo que empieza a importar a partir de ahí es la capacidad de saber formular la pregunta de manera que obtengamos una respuesta aprovechable. Y eso, en lenguaje informático, se traduce en el diseño del algoritmo correcto”, explica Cervera.

La clave está en lo que se llama “la supremacía cuántica”, es decir, para qué tipo de procesos se puede diseñar un algoritmo en el que la tecnología cuántica resulte más eficiente que el más potente de los ordenadores tradicionales. Para empezar, todos aquellos en los que se quieran simular las interacciones que ocurren en el mundo cuántico, esto es, los que involucren la física de partículas. “Desarrollar un medicamento, por ejemplo, requiere de la experimentación con moléculas que están compuestas de átomos, los cuales se componen de partícu­las que se rigen por las reglas de la mecánica cuántica. Un ordenador que funcione con esta tecnología resultará mucho más pertinente para llevar a cabo ese tipo de simulaciones que otro que tenga que imitarla”, explica Cervera. Lo mismo ocurre con la física de materiales y con las operaciones requeridas para el desarrollo de la inteligencia artificial. Y se cree que también puede resultar muy útil en la optimización de procesos logísticos como el envío de paquetes de Amazon o algunos problemas de finanzas como la optimización de porfolios de inversión, pero eso aún se está estudiando.

Para funcionar de manera óptima, un chip cuántico necesita estar en el vacío, de manera que permanezca aislado de cualquier posible perturbación, y a una temperatura cercana al cero absoluto, es decir a -273 grados Celsius. El chip en sí, de hecho, no ocupa más de seis centímetros cuadrados. Todo el aparataje que conlleva cuando vemos la imagen de un ordenador cuántico está destinado a producir ese vacío y a llevar la temperatura a esos valores tan bajos.

Una vez que entre en funcionamiento, el ordenador cuántico pasará a ser una pieza más de MareNostrum 5 y formará parte de la red española de supercomputación, de la que el Barcelona Supercomputing Center es miembro y coordinador, para que cualquier investigador pueda acceder a él de forma gratuita. Quien necesite llevar a cabo experimentos que involucren tareas que requieran de esta tecnología podrá presentar un proyecto para hacer uso de ella, el cual será evaluado y aprobado por una comisión de expertos del mismo centro.

Nos encontramos, pues, frente a la tecnología más moderna del mundo, y al mismo tiempo estamos en la prehistoria de lo que dicha tecnología puede llegar a ofrecer. Cuando vemos el flamante chip de cinco cúbits que acaban de instalar en la capilla del Barcelona Supercomputing Center, en realidad estamos asistiendo a un momento que el día de mañana se estudiará como los anales de la computación cuántica en España, del mismo modo que las tarjetas perforadas del siglo pasado representan el origen de la computación tradicional: un instante iniciático que solo el tiempo dirá hacia dónde nos puede conducir.