Ángela Capel, matemática: “Faltan 15 años, como mínimo, para disponer de un ordenador cuántico verdaderamente útil”

La física cuántica era un mundo por descubrir hasta que, hace un siglo, llegaron los primeros colones. Ahora se está en la fase de exploración y conquista de ese territorio, donde la computación es un Dorado, uno de los espacios más prometedores por sus futuras aplicaciones. Ángela Capel, nacida en Linares (Jaén) hace 30 años, doctora en Matemáticas e investigadora en la Universidad de Tübingen (Alemania), bromea diciendo que ella, en el símil de los conquistadores, sería parte de la tripulación que, desde el barco, observa el avance de la expedición para sugerir las rutas donde pueden surgir complicaciones y cómo sortearlas. Sus investigaciones sobre sistemas cuánticos de muchos cuerpos abiertos, fundamentales en el desarrollo de la computación basada en esta mecánica, le han valido el reconocimiento de los octavos Premios Vicent Caselles, otorgados anualmente por la Real Sociedad Matemática Española (RSME) y la Fundación BBVA.

Pregunta. ¿Cómo es ese territorio de la computación cuántica?

Respuesta. Muchas veces, las preguntas básicas son las más difíciles de contestar. Por simplificarlo mucho, la computación cuántica debería permitir una cantidad exponencial de operaciones en relación con las posibles en computación clásica. La computación cuántica surge teóricamente hace aproximadamente 40 años porque se empezó a ver la limitación de los procesadores clásicos, los que se utilizan para los ordenadores convencionales. Si necesitamos almacenar una mayor cantidad de información en dispositivos cada vez más pequeños, hay un momento en el que las leyes de la física no permiten que dichos dispositivos funcionen adecuadamente. A escala de nanómetros, los electrones tienden a escaparse y se produce algo que se llama efecto túnel. En la computación básica, los bits toman un valor de uno o de cero y dos bits permiten enviar cuatro elementos diferentes. En la computación cuántica se produce una superposición que facilita mandar con dos qubits cuatro posibles estados de forma simultánea. Pero el que recibe estos cuatro estados cuánticos en superposición no sabe exactamente lo que está recibiendo y, para poder observarlo, tiene que realizar una medición que destruye la información en ese momento. Por lo tanto, la superposición no es suficiente y, para aprovechar todo el poder de la mecánica cuántica, se precisa de una segunda propiedad que se conoce como entrelazamiento, algo que, de acuerdo con muchos expertos, sigue sin entenderse completamente cómo se produce en la práctica. Este permite que un efecto, como una rotación, en una partícula [a la que se suele denominar Alice] afecte a otra [Bob] de forma instantánea, aunque estén muy separadas.

P. Pero advierte Jian-Wei Pan, uno de los mayores expertos en este campo, que el desafío más formidable para construir una computadora cuántica universal a gran escala es la presencia de ruido e imperfecciones

R. Las investigaciones que hacemos están relacionadas con esto. El proceso que he descrito se daría en partículas ideales en un universo donde no existieran más que ellas. Cuando se intenta implementar en la práctica, no pasa. Por mucho que se intente aislar un sistema cuántico, siempre va a haber un entorno que lo perturbe. Son los sistemas abiertos con los que trabajamos los que modelan este escenario con mayor exactitud. Voy a utilizar un ejemplo para explicarlo: estás en una habitación y tienes una taza de café caliente. Si la miras, puede parecer que es un sistema aislado, pero es completamente falso, porque está rodeada por todo el ambiente de la habitación, que va a hacer que, con el tiempo, se enfríe, se produzca un proceso termodinámico irreversible. La temperatura del café va a llegar a un equilibrio con la temperatura de la habitación y esta destruye completamente la propiedad inicial del café. En el caso cuántico ocurre lo mismo: tenemos un sistema de muchas partículas en un ambiente que lo rodea, que lo perturba y va a tender a disipar completamente su energía. En un tiempo infinito, su temperatura alcanzará un equilibrio con la temperatura de ese baño térmico que lo rodea. Es lo que sucede en los ordenadores cuánticos. Si tienes un dispositivo que se supone que está modelando una memoria cuántica, lo tienes que meter en un refrigerador, o baño térmico, que no perturbe su temperatura, llevarlo al cero absoluto de temperatura [equivalente a 273,15 grados Celsius bajo cero]. Pero no se puede conseguir el cero absoluto y, por lo tanto, siempre va a haber algo que perturbe tu sistema. Además, hay muchas más variables que tener en cuenta.

P. ¿Es posible entonces la computación cuántica práctica y tolerante a fallos?

R. Teóricamente sí es posible, pero físicamente, a la hora de implementarlo, es muy difícil. Creo que hay un acuerdo generalizado en que es imposible un experimento que se pueda realizar completamente en ausencia de ruido o en el cero absoluto de temperatura. La mayoría de las empresas están trabajando en la corrección de errores porque se asume que se van a producir. El entorno de un sistema cuántico va a destruir la información con el tiempo, por lo que hay que ser más veloz y tener un código que corrija los errores tan rápido como se produzcan.

Todo el mundo trabaja para que se consiga un ordenador cuántico cuanto antes

P. ¿Habrá algún día un computador cuántico?

R. La cantidad de qubits con los que se puede trabajar hoy es muy pequeña, unos 120. Haría falta en torno a un millón para empezar a hacer algo. Pero empezamos a tener las primeras aplicaciones para ciertos problemas que se cree que se pueden resolver con ordenador cuántico. Algunos creen que faltan muchos años para tener algo que sea realmente un salto de calidad, pero hay empresas, como Xanadu Quantum Technologies, que dice que para 2030 podrían tener un prototipo en torno a un millón de qubits. Habrá que ver exactamente cómo se comportan esos qubits. Probablemente, faltan 15 años, como mínimo, para empezar a tener algo que sea verdaderamente útil. Pero, por supuesto, todo el mundo trabaja para que se consiga cuanto antes.

P. ¿Qué implicaciones tendrá?

R. Algunas de las principales aplicaciones tendrán que ver con la biología y con la medicina. Por ejemplo, calculando el billón de diferentes formas en que se puede plegar una cadena de cien aminoácidos. Un ordenador cuántico, teóricamente, puede construir una estructura diferente, un nuevo espacio multidimensional donde el problema se puede resolver no con fuerza bruta sino evaluando subproblemas, reduciendo la complejidad del problema original. Las farmacéuticas, por ejemplo, están esperando que haya una aplicación cuántica que puedan utilizar en el desarrollo de medicamentos. Para los dispositivos de la población en general no es útil, no merece la pena.

Para los dispositivos de la población en general, la computación cuántica no es útil, no merece la pena

P. Y si el potencial de la computación cuántica cae en malas manos, ¿sería el mundo más inseguro?

R. Hay una comunidad matemática gigante intentando desarrollar algo que se conoce como criptografía poscuántica y que desarrolla protocolos que deberían resistir ataques cuánticos.

P. ¿El último experimento sobre teletransporte abre la puerta a un internet cuántico?

R. Es un avance muy importante. La idea es que se pueda transmitir información cuántica entre distintos nodos, pero de forma segura y no costosa. Hasta ahora era una cuestión de Alice [por A] y Bob [B]. El objetivo, tras sumar Charlie [C], es contar con el abecedario completo. Pero es algo que todavía requiere muchísimo trabajo. Entrelazar dos partículas es, primero, costosísimo y segundo, complicadísimo. Es uno de los principales escollos.

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