¿Tendrá la computación cuántica una utilidad real pronto?
Hay dudas Las ‘start-ups’ de computación cuántica están de moda, pero no está claro si serán capaces de producir algo útil en un futuro cercano.
La computación cuántica probablemente sea el segundo tema de moda, justo por detrás de la inteligencia artificial (IA). Las grandes empresas de tecnología, como Alphabet, Amazon y Microsoft, ya están llevando a cabo importantes investigaciones y desarrollos en el campo de la computación cuántica. También han surgido muchas start-ups que trabajan este tema y algunas de ellas tienen potencial. IonQ, por ejemplo, salió a bolsa en octubre del año pasado a través de una empresa de adquisición de propósito especial con un valor de 2.000 millones de dólares (1.820 millones de euros). Gran parte de esta actividad comercial se ha generado con una velocidad desconcertante en los últimos tres años.
Estoy muy a favor de la computación cuántica, he publicado más de 100 artículos técnicos sobre el tema, y muchos de mis estudiantes de doctorado y posdoctorado son referentes conocidos por todo el mundo. Pero me preocupa cómo se sobrevalora la computación cuántica en estos estos días, especialmente respecto a cómo será su comercialización.
Ya hay aplicaciones establecidas para ordenadores cuánticos. La más conocida es la demostración teórica del profesor Peter Shor de 1994. Su teoría se basa en que un ordenador cuántico puede encontrar factores primos de números grandes exponencialmente más rápido que todos los sistemas convencionales. Lograr la factorización prima es un paso esencial para descifrar la criptografía basada en el cifrado RSA de uso universal. Por esta razón el sistema de factorización de Shor captó la atención de gobiernos en todo el mundo. Este fenómeno incentivó la financiación de investigación en el campo de la computación cuántica.
¿Cuál es el principal reto? Fabricar un ordenador cuántico que tenga la capacidad de hacer real la teoría de Shor. Es algo que depende del desarrollo de la idea propuesta por Shor y otros, denominada corrección de errores cuánticos, que es un proceso para compensar el hecho de que los estados cuánticos desaparecen rápidamente debido al ruido ambiental (un fenómeno llamado “decoherencia”). En 1994, los científicos pensaron que tal corrección de errores sería fácil porque lo permitía la física. Pero en la práctica, es algo extremadamente difícil.
Los actuales ordenadores cuánticos más avanzados tienen docenas de cúbits físicos decoherentes (o “ruidosos”). Construir un ordenador cuántico capaz de descifrar los códigos RSA de esos componentes requeriría muchos millones, si no miles de millones, de cúbits. Solo decenas de miles de ellos se usarían para la computación, los llamados cúbits lógicos; el resto se encargaría de corregir errores, para compensar la decoherencia.
Los sistemas de cúbits que existen hoy en día son fruto de un importante logro científico, pero no nos acercan a la posibilidad de tener un ordenador cuántico capaz de resolver un problema importante. Es algo parecido a intentar crear smartphones con tubos de vacío de principios del siglo XX. Se pueden juntar 100 tubos y realizar la hipótesis de que 10.000 millones de ellos trabajaran juntos de manera coherente y sin interrupciones, se podría lograr todo tipo de milagros. Sin embargo, faltaría inventar circuitos integrados y CPU para conseguir smartphones: hicieron falta 60 años de compleja ingeniería para pasar de la invención de los transistores al teléfono inteligente sin contar con una nueva física involucrada en el proceso.
Existen ideas y, yo mismo jugué un papel en el desarrollo de algunas teorías para eludir la corrección de errores cuánticos mediante el uso de cúbits mucho más estables, en un enfoque llamado computación cuántica topológica. Microsoft está trabajando en esta estrategia. Pero resulta que desarrollar hardware de computación cuántica topológica también es un gran desafío. No está claro cuál será la estrategia ganadora: la corrección de errores cuánticos extensiva, la computación cuántica topológica o algo diferente, como un híbrido entre los dos.
Los físicos son inteligentes, como todos sabemos (aviso: yo mismo soy físico), y algunos también son muy buenos para inventar acrónimos que suenan bien y se mantienen en uso. Para referirnos a la dificultad para deshacerse de la decoherencia podemos usar el impresionante acrónimo NISQ (noisy intermediate scale quantum). Este acrónimo es aplicable en el caso del ordenador “cuántico de escala intermedia de ruido”, por la idea de que tiene pequeños conjuntos de cúbits físicos ruidosos que podrían hacer algo más útil que un ordenador convencional. No estoy seguro de qué exactamente: ¿Cuánto ruido? ¿Cuántos cúbits? ¿Por qué es un ordenador? ¿Qué problemas útiles puede resolver una máquina NISQ de este tipo?
Un reciente experimento de laboratorio en Google ha observado algunos aspectos predichos de la dinámica cuántica (denominados “cristales de tiempo”) utilizando 20 cúbits ruidosos superconductores. El experimento fue una demostración impresionante de técnicas de control electrónico, pero no mostró ninguna ventaja informática sobre los ordenadores convencionales, que pueden simular fácilmente esos cristales de tiempo con una cantidad similar de cúbits virtuales. Tampoco reveló nada sobre la física fundamental de los cristales de tiempo. Otros triunfos de NISQ son experimentos recientes que simulan circuitos cuánticos aleatorios, de nuevo una tarea muy especializada sin ningún valor comercial.
El uso de NISQ es sin duda una nueva idea muy interesante de investigación: podría ayudar a la investigación física en algunas áreas importantes como la dinámica cuántica. Pero a pesar del constante bombo publicitario que varias start-ups de computación cuántica están dando a NISQ, su potencial de comercialización está lejos de ser claro. He visto afirmaciones vagas sobre cómo NISQ se podría usar para optimizar de manera rápida o incluso para entrenar IA. No soy un experto en optimización ni en IA, pero les he preguntado a los que sí lo son y también están desconcertados. También he preguntado a algunos investigadores involucrados en varias start-ups cómo NISQ optimizaría una tarea difícil con aplicaciones del mundo real e interpreto como conclusión a sus intrincadas respuestas que NISQ podría hacer más rápido el aprendizaje automático convencional y la IA. No obstante, hay que tener en cuenta que esto es una posibilidad porque no entendemos muy bien cómo funcionan estos procesos. Y es aquí donde está la esperanza y no en la tecnología.
Hay propuestas para usar ordenadores cuánticos en el diseño de fármacos a pequeña escala calculando rápidamente la estructura molecular. Sin embargo, es una aplicación extraña teniendo en cuenta que la química cuántica es una parte minúscula de todo el proceso. También son sorprendentes las afirmaciones que aseguran que los ordenadores cuánticos pronto ayudarán en las finanzas. Ningún documento técnico demuestra de manera convincente que los pequeños ordenadores cuánticos, y mucho menos las máquinas NISQ, puedan aportar una optimización significativa en el comercio algorítmico o en la evaluación de riesgos. Tampoco existen evidencias de que puedan ayudar en el arbitraje, cobertura, targeting y predicción, comercio de activos o en la elaboración de perfiles de riesgo. Sin embargo, esto no ha impedido que varios bancos de inversión se suban al carro de la computación cuántica.
Un ordenador cuántico real tendría aplicaciones inimaginables hoy en día, al igual que cuando se fabricó el primer transistor en 1947, nadie podía prever cómo ese iba a ser el primer paso hacia los teléfonos inteligentes y a ordenadores portátiles. Tengo mucha esperanza y creo firmemente que computación cuántica es una tecnología potencialmente disruptiva, pero afirmar que comenzaría a producir millones de euros en ganancias para empresas reales que venden servicios o productos en un futuro cercano me desconcierta. ¿Cómo?
La computación cuántica es, en efecto, uno de los desarrollos más importantes no solo en la física, sino en toda la ciencia. Pero la sobrevaloración y la superposición no son varitas mágicas que podamos sacudir y esperar a que transformen la tecnología en un futuro cercano. La mecánica cuántica es claramente extraña y contraria a la intuición, pero eso por sí solo no garantiza ingresos ni ganancias.
Hace más de una década, a menudo me preguntaban cuándo pensaba que se iba a construir un ordenador cuántico real. Es interesante que ya no me hagan esta pregunta, ya que el bombo sobre la computación cuántica aparentemente ha convencido a la gente de que estos sistemas ya existen o están a la vuelta de la esquina. Mi respuesta indudable siempre fue que no lo sabía. Predecir el futuro de la tecnología es imposible: sucede cuando sucede. Se podría intentar hacer una analogía con el pasado. La industria de la aviación tardó más de 60 años en pasar de los hermanos Wright a los grandes aviones que transportan a cientos de pasajeros miles de kilómetros. La pregunta inmediata es dónde habrá que colocar en esa línea de tiempo el desarrollo de la computación cuántica, tal y como está actualmente. ¿Está en el punto en el cual estaban los hermanos Wright en 1903? ¿O en los primeros aviones a reacción de alrededor de 1940? ¿O puede ser que todavía estemos en el siglo XVI, con la máquina voladora de Leonardo da Vinci? No lo sé. Ni yo, ni nadie.
Sankar Das Sarma es director del Centro de Teoría de la Materia Condensada de la Universidad de Maryland, College Park.
