Los científicos Aspect, Clauser y Zeilinger han sido galardonados con el premio Nobel de Física 2022 por sus investigaciones sobre partículas entrelazadas (“entangled particles”). En el universo subatómico rigen sorprendentes leyes físicas: activando una partícula entrelazada, su pareja cambia de estado instantáneamente, aunque se encuentre en el otro extremo de la galaxia. De alguna forma están permanentemente conectadas. El campo de la información cuántica ofrece grandes posibilidades en nuevos sistemas de comunicación y en computación avanzada.
Richard Feynman, también Nobel de Física, aventuró en los 80 la posibilidad de realizar simulaciones de procesos muy complejos operando sobre ordenadores cuánticos. En la naturaleza o en la economía existen problemas aparentemente sencillos, cuya complejidad matemática crece a velocidad más que exponencial a partir de un cierto número de variables. Cuando deseamos explorar el comportamiento de un conjunto de moléculas en una reacción química nos encontramos con procesos llamados “factoriales”: cada nueva molécula añade complejidad multiplicativa al cálculo. Problemas aparentemente sencillos también crecen factorialmente (más que exponencialmente): ¿de cuántas maneras se pueden distribuir 100 comensales en una boda? ¿Por cuántas rutas diferentes puede pasar un vehículo que tenga que visitar 100 ciudades? O, ¿de cuántas maneras se pueden ubicar 100 productos diferentes en el lineal de un supermercado? En estos casos, añadir una variable más significa multiplicar por 100 las combinaciones posibles. Dos variables más, significa multiplicar por más de 10.000, y así sucesivamente. Son problemas que, a partir de un cierto punto, escapan a la potencia de los supercomputadores de silicio, y que podrían ser abordados con computación cuántica, una tecnología que utiliza principios de mecánica cuántica para realizar cálculos extremadamente complejos.
La computación cuántica se basa en fenómenos como la superposición y el entrelazado de partículas. La superposición permite que cada bit cuántico (“qbit”), almacenado en una partícula subatómica (electrones o fotones), se encuentre en una combinación lineal de “0s” y “1s”, ofreciendo de hecho dos dimensiones de información. Como el famoso gato cuántico de Schrödinger, que podía estar vivo y muerto a la vez, un qbit puede ser “0” y “1” al mismo tiempo, con una cierta distribución de probabilidades. Así, un qbit puede almacenar simultáneamente el equivalente a dos bits (“0” o “1”). Dos qbits, el equivalente a 4 bits. Tres qbits, el equivalente a 8 bits, y así sucesivamente. La potencia del escalado cuántico es difícil de percibir. Pero con sólo 60 qbits podríamos procesar la información equivalente a más de un trillón de bits convencionales. La superposición permite que las operaciones matemáticas sobre sistemas cuánticos se realicen en paralelo, considerando todos los posibles estados a la vez. Cálculos que tardarían años en resolverse en un supercomputador de silicio podrían solucionarse en segundos. Aunque la mayor parte de problemas convencionales seguirán resolviéndose con computadores al uso, la computación cuántica tiene importantes aplicaciones industriales en problemas de optimización, y en simulaciones de procesos muy complejos.
Una de las aplicaciones de mayor interés es la criptografía. Los sistemas de encriptado que sustentan las comunicaciones digitales actuales se basan la factorización de números enteros, problema matemático que no es factible de desentrañar con un ordenador convencional. Algoritmos cuánticos podrían resolver esa factorización y virtualmente hackear todos los sistemas de comunicación digitales del planeta, rápidamente. De ahí la carrera por la llamada “supremacía cuántica” (la demostración de que un computador cuántico puede resolver problemas intratables con recursos clásicos de computación), y la preocupación por la seguridad de las comunicaciones en el futuro post-cuántico
En 1958, otro Nobel, Jack Kilby, inventó el chip de silicio. La física de semiconductores sentó las bases de una industria billonaria, e hizo posible la extensión masiva de ordenadores personales y dispositivos móviles. Sin ella, no existirían los Intel, Apple, Google o Microsoft, compañías que lideran hoy la economía global. La digitalización (la habilidad humana de capturar información del entorno, trocearla en pedazos básicos -llamados bits-, procesarla y retransmitirla por ondas o por cables), ha configurado nuestra era, gracias a los semiconductores. Ahora, una nueva ola tecnológica, la computación cuántica, está emergiendo. Necesitaremos una profunda comprensión de los fenómenos físicos que la hacen posible, a escala subatómica, así como de las matemáticas que la explican y que permiten sentar las bases teóricas del procesado mediante qbits, de problemas factoriales (más que exponenciales). Pero, sobre todo, necesitaremos convertir todo ello en ingeniería.
La carrera cuántica está ahí: más de $30.000 millones invertidos en I+D en 2022 (la mitad, en China). En Barcelona, el Supercomputing Center dispondrá de dos ordenadores cuánticos basados en tecnología europea. En los próximos años, si sucede como en otras industrias, se crearán cadenas de suministro asociadas a las tecnologías cuánticas. Aparecerán clústeres de startups, y proveedores especializados en ingeniería: refrigeración, superconducción, láseres, sistemas ópticos y electrónicos de control o mecánica de precisión. Tras la ciencia y la invención, vendrá la innovación y la industrialización. Se precisarán bucles de experimentación en tecnologías de fabricación, tal como pasó con los semiconductores. La verdadera carrera, tras el desarrollo de las bases teóricas físicas y matemáticas, y las pruebas de laboratorio llegará en el desarrollo industrial de esas tecnologías. En semiconductores, EEUU lideró las primeras fases de investigación y caracterizó la física de los dispositivos, pero fue Asia quien mejor supo capturar la tecnología de fabricación a escala masiva. Si emerge una nueva industria cuántica, ¿quién se llevará el gato (de Schrödinger) al agua?
(Foto: Berkeley National Lab
