¿De qué hablamos cuando hablamos de computación cuántica?

En octubre de 2019 Google anunció la conquista de la “ventaja cuántica”, algo así como el Santo Grial en el camino a lo que será la era de la computación cuántica. “Ventaja cuántica” quiere decir demostrar un sistema capaz de hacer cálculos que una computadora convencional no podría, o a la que en el mejor de los casos le demandaría miles de años. IBM y otros salieron rápidamente a disputar la proclamación, pero no dejó de ser una noticia significativa, un mojón en una ruta aparentemente consolidada hacia una nueva era en las tecnologías de la información. Pero ¿qué es la computación cuántica y de qué forma podría impactar en la vida cotidiana?

¿Está usted de broma?

La idea de sacar provecho de cosas muy extrañas que pasan en el mundo de la física cuántica fue lanzada originalmente en 1982 por Richard Feynman, físico y premio Nobel estadounidense. Feynman fue un personaje fascinante digno de un capítulo aparte. Dueño de un espíritu juguetón, probablemente nada lo describa mejor que su autobiografía en tono ligero ¿Está usted de broma, Sr. Feynman? Lo que Feynman notó es que la mecánica cuántica implica un tipo de magia genuina, no mero ilusionismo, y que si fuera posible domesticar y hacer emerger al mundo macroscópico fenómenos observados a la escala de átomos, hipotéticamente se abriría la puerta a magia en la computación.

En pocas palabras, la idea es que una computadora cuántica funcionaría como un portal a quizás millones de universos paralelos en los que se estarían ensayando simultáneamente soluciones alternativas a un determinado problema. Cómo se sustancia esto lo veremos en una próxima entrega. Cómo abrir ese portal y cómo rescatar la solución correcta son los grandes desafíos. Un primer paso a nivel teórico lo dio en 1994 Peter Shor, matemático del MIT. Shor ideó un mecanismo que, si fuera posible de implementar prácticamente con dispositivos bajo las reglas de la mecánica cuántica, entonces una clase de problemas relacionados con la criptografía, y hasta ahora muy difíciles o inaccesibles, podrían ser resueltos.

Pero han pasado casi 40 años desde la propuesta de Feynman y sin embargo no se conocen computadoras cuánticas de propósito general que resuelvan problemas de todos los días. Esto no es un dato menor en una época en que el conocimiento se difunde y crece exponencialmente. Y es que los estados cuánticos de la materia que se necesitan para este tipo de computación son frágiles por naturaleza y difíciles de controlar.

Computadoras cuánticas hoy

Hoy tenemos prototipos funcionando en modo cuántico pero todavía no en la escala de capacidad y confiabilidad que se requeriría en un ambiente de producción. Si alguien espera que las futuras computadoras cuánticas sean similares en aspecto y uso a las computadoras digitales de hoy, es bastante probable que no vea sus expectativas satisfechas. Hay varios motivos.

En primer lugar, no hay una única arquitectura posible de computadoras cuánticas y cada una funciona de una manera muy diferente a la clásica máquina secuencial de procesamiento programado.

En segundo lugar, no hay una tecnología de base única, como es el caso de la computación clásica basada, en su mayor parte, en microestructuras de silicio. Se han propuesto y probado docenas de aproximaciones, desde puramente ópticas a paquetes de iones supercongelados o trampas de electrones aislados. No hay, por el momento, una candidata que se perfile como la que terminará imponiéndose, al menos en el corto plazo, aunque esto puede cambiar en cualquier momento.

La diversidad de arquitecturas y tecnologías son síntoma de inmadurez del campo. El tiempo transcurrido desde que Feynman lanzó la idea está diciendo que el objetivo de construir una computadora cuántica útil es mucho más difícil de lo que podría haber parecido cuatro décadas atrás.

Finalmente, hay otro factor de la computación cuántica que podría no satisfacer las expectativas de que estas computadoras sean como las que conocemos. Dentro mismo de la computación cuántica hay más de una forma de explotar los fenómenos únicos de la física cuántica. Una modalidad es la de superposición de estados; otra, más compleja, es la de entrelazamiento. Por ahora sólo vamos a tomar nota de estos títulos y más adelante veremos de qué se trata, pero la potencia de una computadora cuántica depende del nivel de fenómenos cuánticos que pueda manipular en forma regular.

Anticipándose

Las computadoras cuánticas pueden no estar en un horizonte inmediato fuera de los laboratorios. Pero la foto al día de hoy nos dice varias cosas. Por un lado, es mejor irse preparando. Los especialistas advierten que, aunque la computación cuántica no está disponible al momento a nivel de producción, es prioritario invertir desde ahora en formación y capacitación de recursos humanos para que estén listos en cantidad y calidad cuando llegue el momento.

Estados Unidos, por un lado, y la Unión Europea, por otro, están presupuestando 1.000 millones de dólares cada uno para investigación y desarrollo en el próximo quinquenio, un salto exponencial en inversión. Obviamente China está en niveles similares, aunque no trascienda mucha información al respecto.

Casi seguro, por lo menos al principio, que el modelo va a ser el de la nube: debido al elevado nivel de inversión (los precios típicos hoy de máquinas prototipo andan por los diez millones de dólares y todavía no son útiles para producción), es probable que al menos por un tiempo sean proveedores de servicio los que brinden acceso a usuarios en lugar de instalar centros propios (excepto, tal vez, empresas muy grandes).

En esta línea, IBM, Google y Amazon ya están dando acceso y capacitación utilizando herramientas de simulación y limitada computación cuántica real con la finalidad de generar una comunidad de usuarios. Su apuesta es que serán sus clientes en el futuro.

Pero antes de que las expectativas se disparen, hay que recordar que llegar a una computadora cuántica realmente útil implica superar formidables obstáculos técnicos. Probablemente más formidables que los que la industria electrónica habría identificado hace 50 años si hubiera podido vislumbrar como objetivo los celulares o internet. En una próxima entrega veremos cómo son los estados cuánticos en los que se basa todo esto, su fragilidad y las dificultades para escalar a capacidades utilizables en forma práctica.

¿Hacia dónde?

Para concluir, por ahora, vamos a repasar por dónde se visualizan grandes potenciales para el desarrollo de la computación cuántica.

El algoritmo de Shor fue la primera propuesta concreta de aplicación de tecnologías de base cuántica y en todo caso tiene un campo de aplicación importante, pero limitado, en relación con la criptografía. La tecnología de computación cuántica es aplicable también en otros terrenos.

Una clase de problemas es el de la optimización, ejemplificado con el problema del vendedor itinerante. Un vendedor tiene que recorrer un conjunto de ciudades. Obviamente, pretende pasar una vez por cada una y en total hacer el recorrido más corto posible. Puede parecer un problema relativamente simple, pero bajo esa inocencia se esconde un abismo inesperado de complejidad. Con 15 ciudades a la computadora más potente que existe le puede llevar varios cientos de años encontrar la ruta más corta.

Este problema pertenece a una clase general de problemas de optimización que aparecen en muchos terrenos, desde logística hasta cadenas de montaje o redes de transmisión de datos, por lo cual cualquier mejora en la metodología que permita acercarse en forma práctica a la mejor solución tiene un enorme valor comercial. No es extraño en este contexto que BMW haya comprado dos versiones de computadora cuántica prototipo a Honeywell para investigar el concepto más allá de que todavía esté lejos de proporcionar resultados de producción por razones de escala.

Otra categoría de problemas muy difíciles de tratar a escalas importantes son los de simulación. Un caso típico es el del diseño de drogas en forma sistemática en lugar de mediante prueba y error como ocurre mayoritariamente hoy en día. El laboratorio GlaxoSmithKline está probando y comparando en forma práctica la vía cuántica con máquinas de IBM y D-Wave con arquitecturas totalmente diferentes buscando un salto cualitativo en los tiempos de diseño y prueba de principios activos.

En términos generales, todos los problemas donde aparecen gran cantidad de elementos participantes y gran cantidad de relaciones entre estos se benefician de esa característica peculiar que darían las computadoras cuánticas, la de atacar en forma simultánea muchas alternativas, cosa que no pueden hacer las computadoras convencionales intrínsecamente secuenciales.

Sin relación directa con la computación en sí misma, uno de los terrenos donde se están demostrando resultados prácticos a escala comercial es en la distribución cuántica de claves de cifrado para comercio electrónico y transacciones online. China es uno de los países más avanzados en implementación con satélites dedicados a este uso. Básicamente la idea es que nunca se puede garantizar que un mensaje no pueda ser visto por el camino, pero lo que se puede hacer con tecnologías cuánticas es detectar en forma inequívoca si fue leído. Esto permite dar certeza a que la distribución de claves es inviolable, punto débil de las comunicaciones cifradas a nivel masivo y que son nada menos que el cimiento del comercio electrónico y las transacciones online.

En este mismo campo, los especialistas recomiendan ya comenzar a reforzar y mejorar los métodos de codificación. La razón es obvia: material sensible que hoy haya sido robado, aunque en este momento no pueda ser desencriptado, podría ser abierto en diez años si cayera en manos de organizaciones con acceso a computadoras cuánticas. Esa información aún entonces podría ser relevante.