La importancia de los descubrimientos científicos en quantum computing

Quantum computing está llamado a revolucionar todos los aspectos de nuestra vida, aportando soluciones a problemas que hoy son irresolubles. Aunque sería fantástico afirmar que los ordenadores cuánticos pueden resolver problemas y cambiar nuestras vidas de inmediato, la realidad es que todavía estamos en las primeras etapas de desarrollo: la computación cuántica se basa en tecnologías muy incipientes, que maduran y avanzan de la mano de los descubrimientos científicos. Con el tiempo, es probable que surjan nuevas aplicaciones y avances en la tecnología cuántica, pero por ahora, el enfoque está en superar las limitaciones y errores actuales.

Fundación Innovación Bankinter celebró su último think tank Future Trends Forum bajo el lema Quantum Computing e Inteligencia Artificial: la revolución silenciosa, reuniendo a más de cuarenta expertos con perfiles científicos, investigadores, emprendedores y directivos, para, entre otras cosas, dar respuesta a esas preguntas.

Entre los expertos reunidos, estaban Artur Ekert, Catedrático de Física Cuántica en la Universidad de Oxford, Director Fundador de CQT Singapur y co-inventor de la criptografía cuántica y Ignacio Cirac, Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Miembro Científico de la Sociedad Max Planck y Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica.

Ambos expertos apuntan la importancia de los descubrimientos científicos y las demostraciones físicas, como base para el progreso de las tecnologías cuánticas.

El Prof. Ekert ofreció una ponencia magistral en el Future Trends Forum, donde explica la complejidad de la ciencia cuántica y qué tipo de descubrimientos están acelerando nuestra comprensión del mundo y facilitando el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas. Aquí puedes verla:

También el Prof. Cirac ofreció una ponencia magistral en el Future Trends Forum, donde explica, entre otras cosas, la utilidad de la computación cuántica para resolver problemas científicos. Aquí puedes verla:

Mecánica cuántica y tecnologías cuánticas

La importancia de los avances y descubrimientos científicos para el avance de la computación cuántica, la ilustra el Prof. Ekert con el Premio Nobel de Física de 2022, concedido a John F. Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger por «experimentos con fotones entrelazados, establecer la violación de las desigualdades de Bell y ser pioneros en la ciencia de la información cuántica». Mediante experimentos inéditos, estos 3 científicos han demostrado la posibilidad de controlar partículas que se encuentran en estados entrelazados y distantes entre sí. El desarrollo de herramientas experimentales por parte de los galardonados ha sentado las bases de una nueva era de la tecnología cuántica, ya que los estados cuánticos entrelazados encierran el potencial de nuevas formas de almacenar, transferir y procesar información.

Para el Prof. Ekert, la computación cuántica es uno de los experimentos más complejos y sofisticados que ha producido la humanidad, más incluso que viajar a la Luna. Se persigue tener cientos y cientos de qubits trabajando juntos, controlados con una precisión asombrosa. Si se consigue esto, se demostraría que la teoría cuántica es correcta y representa una buena descripción de la naturaleza. Si no se consiguiese, sería aún mejor desde el punto de vista del científico, porque abre las puertas a realizar teorías aún más precisas sobre el funcionamiento de la naturaleza, y a experimentar con ellas para llegar a una computación aún más avanzada, que denomina computación post-cuántica.

Debido a que la representación de la información es física, los avances en las teorías físicas siempre conducen a avances en la computación. La clave del éxito en este campo, dice el Prof. Ekert, es INNOVAR. Tanto en la ciencia como en la experimentación y desarrollo de soluciones: si innovas y aportas nuevas ideas y soluciones que los demás no tengan, tendrás una ventaja competitiva sostenible.

 Cómo hacer progresar las tecnologías cuánticas

La física cuántica y la computación cuántica son áreas muy prometedoras, aunque todavía no hemos visto un fracaso que realmente desafíe nuestras teorías actuales. A medida que la comunidad científica trabaja para desarrollar y comprender mejor las tecnologías cuánticas, es importante invertir en la investigación básica y en innovación, ya que eso es lo que realmente nos permitirá avanzar y descubrir cosas nuevas y valiosas e impulsar avances significativos en las tecnologías cuánticas.

Es fundamental por tanto financiar y construir ordenadores cuánticos, independientemente de si tienen éxito o no. Si no tienen éxito, servirán para alumbrar nuevos descubrimientos y avances en la comprensión de la naturaleza y en avances de la computación en sí.

De la misma manera, debe invertirse de forma inmediata en criptografía cuántica, porque la información que guardamos hoy encriptada, podría ser desencriptada dentro de unos años, cuando exista un ordenador cuántico suficientemente potente. En función de cuántos años nos interese tener información privada y segura, se debe pensar en encriptarla desde ya mismo. Existen en este campo dos corrientes: la criptografía cuántica, que se sabe que es segura contra los ataques cuánticos porque implementa un protocolo criptográfico que involucra componentes de la mecánica cuántica, y la criptografía post-cuántica, que pretende crear nuevos algoritmos con ordenadores tradicionales que sean resistentes a ordenadores cuánticos en el futuro. La primera es más robusta, pero quedan años para tenerla lista, porque aún se está en fases muy experimentales. La segunda es más factible, pero tiene que demostrar que realmente es capaz de soportar un ataque cuántico. Como dice el experto José Ignacio Latorre, el concurso internacional lanzado por el NIST norteamericano, aún no tiene la solución definitiva.

Por otro lado, la creación de comunidades y la colaboración entre expertos en diferentes campos es crucial, ya que permite a los investigadores de diferentes disciplinas entenderse y trabajar juntos para abordar problemas más amplios y complejos en el campo de las tecnologías cuánticas.

Por último, apunta el Prof. Ekert, las tecnologías cuánticas están siendo aceleradas desde la industria militar y de defensa, debido a sus diferentes percepciones de riegos y a la necesidad de mantener una ventaja tecnológica soberana.

Ordenadores cuánticos perfectos aún por llegar o imperfectos pero útiles hoy

Por su parte, el Prof. Cirac explica la importancia de los errores en la computación cuántica. Los errores se producen por la propia naturaleza de la mecánica cuántica. Para corregir estos errores, se necesitan algoritmos de corrección de errores cuánticos, que necesitan una enorme cantidad de qubits adicionales, muchos más que los que conseguimos tener actualmente en una máquina. Así que, en términos generales, estamos aún lejos de tener un ordenador cuántico que pueda resolver los grandes problemas en criptografía, en física y química, en optimización y en aprendizaje automático.

Sin embargo, hay algo llamado «computación cuántica intermedia», que es el campo en el que el Prof. Cirac está trabajando actualmente, donde ya existen prototipos de ordenadores cuánticos con errores, denominados NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum). La pregunta es si podemos usar estos ordenadores cuánticos con errores para resolver algunos problemas de la vida real antes de llegar al punto en que podamos corregir los errores. Aquí es donde hay un montón de investigación y desarrollo en marcha, y hay muchas empresas y startups que están trabajando en este campo, tratando de encontrar aplicaciones y casos de uso para estos ordenadores cuánticos intermedios.  Es decir, que aunque todavía no tenemos un ordenador cuántico completamente funcional y sin errores, hay muchas aplicaciones y oportunidades en el horizonte, desarrollando aplicaciones en NISQ.

En todo caso, debemos ser conscientes de las limitaciones y no dejarnos llevar por el bombo y la exageración que rodea a la computación cuántica. Es fundamental mantener un enfoque equilibrado y realista sobre lo que los ordenadores cuánticos pueden y no pueden hacer, y seguir trabajando juntos para superar los desafíos y desarrollar esta tecnología revolucionaria, apunta el Prof. Cirac.

Nos dice Ignacio Cirac que el desarrollo de la computación cuántica se asemeja a la historia de los primeros ordenadores clásicos en los años 40, con aplicaciones muy limitadas al principio, pero con un enorme potencial para el futuro. Los ordenadores cuánticos actuales son defectuosos y requieren grandes laboratorios y condiciones extremas. Aunque conocemos dos grandes aplicaciones -la ciencia y la criptografía-, aún no conocemos el impacto que tendrá en otros campos, que Cirac pronostica fabuloso.

Campos de aplicación de las tecnologías cuánticas

Cirac apunta cuatro grandes áreas de aplicación de las tecnologías cuánticas:

• Criptografía
• Optimización
• Sensórica/Medición
• Aprendizaje automática

Para cada una de ellas, reflexiona sobre su presente y su futuro:

En criptografía, es poco probable que los ordenadores NISQ sean útiles debido a la necesidad de cálculos cuánticos tolerantes a fallos. En cambio, las aplicaciones científicas, especialmente en física y ciencia de materiales, podrían beneficiarse de los prototipos actuales si los errores no son muy grandes.

Por su parte, los problemas de optimización podrían ser difíciles de abordar con dispositivos NISQ, ya que incluso un ordenador cuántico perfecto no ofrecería una ventaja significativa. Sin embargo, en el aprendizaje automático, hay más esperanza debido a la naturaleza intermedia de estos problemas. A pesar de la falta de evidencia sólida hasta ahora, los ordenadores cuánticos podrían ofrecer ventajas en este campo en el futuro cercano.

En cuanto a la detección cuántica y las comunicaciones cuánticas, Cirac ve un futuro brillante, pero cree que llevará tiempo antes de que se conviertan en algo común. La detección cuántica puede mejorar la sensibilidad de las mediciones en áreas como la medicina y la investigación científica, mientras que las comunicaciones cuánticas pueden proporcionar una mayor seguridad en la transmisión de información.

El corto plazo en quantum computing

Las tecnologías de base para quantum computing van a depender de la aplicación final que se quiera construir. Hoy se necesita seguir investigando en cómo encontrar el equilibrio entre la corrección de errores y la velocidad. Según Cirac, los qubits superconductores parecen más prometedores en cuanto a la corrección de errores tolerante a fallos y la implementación. Sin embargo, si el enfoque es en aplicaciones científicas específicas, los átomos de Rydberg pueden ser una mejor opción debido a su potencial en simulación cuántica analógica. En este sentido, las aplicaciones a corto plazo están en resolver problemas científicos como la superconductividad y la física de altas energías. Los ordenadores cuánticos pueden ayudar a resolver modelos relacionados con estos problemas y mejorar nuestra comprensión en estas áreas.

En relación con las iniciativas de investigación en Europa, América del Norte y Asia, Cirac menciona que hay un gran apoyo en Europa y EE.UU., pero China parece estar invirtiendo mucho más en este campo y avanzando más rápidamente.

En cuanto a la mejora de los ordenadores NISQ, Cirac reconoce que hay un continuo de mejora, pero cree que el ritmo de mejora será relativamente lento en comparación con las expectativas de algunos en la industria.

Quantum computing en España

Juan Ignacio Cirac se muestra satisfecho por el progreso y la percepción de las tecnologías cuánticas en España. Destaca el liderazgo de España en algunos campos de la computación cuántica y el apoyo recibido tanto de las administraciones públicas como de la sociedad.

Elogiando la aparición de startups en el ámbito del software y el desarrollo, señala que España está rezagada en cuanto a la parte experimental y tecnológica en comparación con otros países. Sugiere que sería beneficioso para España enfocarse más en el hardware y posicionarse en las tecnologías cuánticas de base, teniendo en cuenta que hablamos de una carrera a largo plazo, que podría tardar 20 años en llegar a cierta madurez.

Si quieres profundizar en las tecnologías cuánticas y qué pueden representar a corto, medio y largo plazo, te invitamos a leer el informe del Future Trends Forum Quantum e inteligencia artificial: la revolución silenciosa.