Es evidente el interés que existe respecto a la computación cuántica. Constantemente aparecen noticias sobre ella, relacionadas con el hardware y las aplicaciones —prototipos— de uso. Hemos hablado con Diego Romero San Martín, Technology and Innovation Manager en NTT DATA, para aclarar cuál es el estado actual de esta tecnología y conocer su aplicación real y qué podemos esperar de ella en el futuro.

En esencia, la computación cuántica permite resolver problemas que, por su grado de complejidad, no están al alcance de la computación clásica: retos relacionados con la investigación médica, el desarrollo de nuevos materiales, modelos de sistemas muy complejos —como puede ser el climático— y, sobre todo (y esta es una de las aplicaciones con mayor repercusión), la criptografía y las comunicaciones seguras, algo especialmente sensible en sectores como la banca o los sistemas críticos de un Estado.

“Hablamos de ámbitos en los que la computación clásica presenta ciertas limitaciones. Cuando tengamos el hardware de quantum computing disponible, estos problemas se podrán enfrentar de forma mucho más eficiente”.

Medir la probabilidad

Frente a los bits de la computación clásica, cuyo valor puede ser cero o uno, en la cuántica pasamos a tener qubits, cuyo estado es una probabilidad que puede tomar cualquier valor entre 0 y 1. Esta característica permite representar la realidad de una forma muchísimo más fiel, pero es un modelo muy complejo y radicalmente diferente a lo que entendemos a nivel macroscópico. Hay dos efectos de la mecánica cuántica que resultan fundamentales para trabajar con los qubits:

• La superposición. La capacidad de una partícula cuántica, un qubit, de existir en múltiples estados a la vez. Si lanzamos una moneda al aire, el resultado puede ser cara o cruz; es decir, cero o uno. En computación cuántica, lo que tenemos es una moneda girando y solo sabremos en qué estado está cuando la midamos.

El quantum computing permite resolver problemas que, por su grado de complejidad, no están al alcance de la computación clásica

• El entrelazamiento, que está relacionado con la medición. Este efecto permite que dos partículas estén instantáneamente conectadas. Mientras no se observan (se miden), ambas partículas están en superposición, pero, cuando se observa una de ellas, inmediatamente se conoce el estado de la otra.

“Gracias a estos efectos, los algoritmos cuánticos son extremadamente eficientes en comparación con los utilizados en la computación clásica. Por ejemplo, en un paper publicado por la empresa Xanadu se ha conseguido hacer en 36 microsegundos un cálculo que tardaría alrededor de 9000 años con un superordenador clásico”.

El ordenador cuántico

Para poder utilizar estos qubits, es necesario construir el ordenador cuántico, un proceso que exige sumar dos ramas de conocimiento: la ingeniería y la física teórica. Existen muchas formas de implementarlos: basados en superconductores (usados por IBM y Google fundamentalmente), trampas de iones, topológicos o fotónicos, una tecnología que permite trabajar a temperatura ambiente.

“Elegir una topología u otra implica una serie de ventajas e inconvenientes que se relacionan con la temperatura de trabajo (que afecta a la integración) o con el ruido en el momento de la medición del qubit”.

De hecho, la integración es un elemento clave: no se trata solo tener muchos o pocos qubits. “Se estima que con 2500 o 3000 qubits podríamos representar todos los estados de todos los átomos que hay presentes en el universo, aunque para ello habría que contar con qubits que realicen funciones de control”.

En lo que se respecta a su aplicación, encontramos dos tipos de enfoques. Por un lado, los basados en puertas, que son los generalistas, con los que se pueden desarrollar algoritmos para atacar cualquier tipo de problema. Por analogía, sería como un ordenador estándar que se podría programar de forma general.

Por otro lado, los adiabáticos, con un hardware diseñado para acometer retos muy específicos: los de optimización combinatoria. Se trata de problemas que son muy habituales en el ámbito industrial, de ingeniería o de negocio. Básicamente,  buscan estimar la mejor ruta posible para ir de un sitio a otro teniendo en cuenta una serie de restricciones. Este reto, denominado del viajante, se convierte en un problema imposible de solucionar cuando crece el número de restricciones, pero los Quantum Annealing (adiabáticos) los resuelven de una forma muy eficiente.

Además, es necesario también contar con un software. Todos los vendors están desarrollando las capas necesarias —con mayor o menor nivel de abstracción— para poder aislar la complejidad del hardware y ejecutar las aplicaciones de forma transparente para el usuario.

Aplicaciones

En cuanto a problemas que se pueden resolver, fundamentalmente destacan los relacionados con:

• Criptografía. Su capacidad para factorizar números primos, en los que se basan los métodos de encriptación actuales (RSA), permite romper esas claves en muy poco tiempo. Frente a esto ya se está desarrollando la denominada criptografía post quantum.
• Simulación. Representación de modelos muy complejos que manejan un elevado volumen de información, como los climáticos, los astronómicos o los de interacción molecular. Se espera que facilite la fabricación de nuevos materiales o medicamentos.
• Optimización. Resolución de muchos de los problemas que, en lo referido al negocio, deben cumplir con una serie de restricciones.
• Machine learning e inteligencia artificial. La base de la AI descansa en una probabilidad estadística, al igual que ocurre con el quantum computing.
• Química y materiales. Un área que está avanzando bastante y se relaciona con el descubrimiento de nuevas propiedades, reacciones químicas, etc.
• Finanzas. El uso en la optimización, la IA o la criptografía está muy relacionado con las aplicaciones de servicios financieros en cuanto a la valoración de activos, gestión de riesgos, optimización de portafolios, análisis financiero, etc.

“Las motivaciones para adoptar esta tecnología tienen que ver con un mejor rendimiento y, sobre todo, con la posibilidad de obtener una ventaja competitiva. Ahora mismo, los sectores más avanzados son los relacionados con el área científico-técnica y la de servicios tecnológicos, pero ya empiezan a despuntar, por ejemplo, la biofarmacia, el manufacturing y los servicios financieros”.

Las empresas y entidades públicas relacionadas con el sector telco están especialmente interesadas en esta tecnología para mejorar las tasas de transmisión y la privacidad de las comunicaciones. Un ejemplo es la iniciativa Madrid Quantum Communications Infrastructure (MadQCI), una red de ciberseguridad cuántica que unirá el área metropolitana de Madrid y se conectará con la futura red europea.

Otros sectores que están apostando fuerte son las denominadas live sciences, banca y seguros, energía, aeroespacial y automoción, esta última buscando una mejora de los ciclos de carga de las baterías en el coche eléctrico.

“El mercado está avanzando a pasos agigantados y ya existe todo un ecosistema de empresas que empujan para no depender de las especificidades del hardware y poder concentrarse en lo relacionado con la aplicación”.

Supremacía cuántica

Se habla mucho de este término: el punto en el que una computadora cuántica es capaz de resolver un problema que ninguna supercomputadora clásica podría resolver en un tiempo razonable. “Es el punto de ruptura a partir del cual aplicar tecnología cuántica merece la pena. Todo el mundo quiere estar preparado para que, cuando lleguen el hardware, el software o los algoritmos cuánticos, poder aplicarlos a un caso de uso”.

Esta supremacía cuántica se puede convertir en una baza estratégica nacional, lo que ha desatado la carrera por la inversión y el desarrollo de estas tecnologías. Estados Unidos es el que más está invirtiendo, sobre todo desde el ámbito público, pero también se está incrementando mucho la financiación privada. Otros actores importantes son China, con una financiación mayoritariamente pública, o Europa, que tiene sus programas de investigación cuántica: los Quantum Flagship.

“Por ahora, el hardware cuántico todavía no es capaz de atacar problemas de tipo general, casos de negocio estándar. La computación clásica todavía gana a la cuántica en problemas de optimización general”.

En lo que sí se está avanzando mucho es en el aumento de las capacidades del hardware, incrementando el número de qubits, aunque todavía se deben salvar retos relacionados con la calidad y la interconectividad, el ruido que limita la precisión en las mediciones o la necesidad de trabajar a temperatura ambiente.

Para ello, se están estudiando tecnologías muy consolidadas, como CMOS (circuitos de silicio, quatum dots), u otras muy prometedoras, como la tecnología fotónica. Se cree que permitirán conseguir avances significativos de la operativa.

Todos los vendors están desarrollando las capas necesarias para poder aislar la complejidad del hardware

Además, queda mucho camino por recorrer en cuanto a la evolución de los algoritmos cuánticos, y también hay que ir salvando diversos retos relacionados con la ingeniería en ámbitos como la interconectividad, la integración, la coherencia, el escalado o el uso de la nube, para que pueda ser accesible por cualquier equipo de desarrollo.

“No hay que perder de vista de dónde venimos. En 1976 aparece el primer superordenador, el Cray-1. Nos han hecho falta 55 años para pasar desde el Cray-1 a integrar miles de millones de transistores por chip en el entorno del milímetro. Solo hace doce años del nacimiento de D-Wave One, una de las principales empresas del sector, o siete años desde que los ordenadores de IBM se pusieran a ‘disposición general”.

Siguientes pasos del quantum computing

La evolución que se espera de esta tecnología es muy importante. Primero, un avance que permita alcanzar la supremacía cuántica, algo que significaría un hito trascendente en el desarrollo del quantum computing. Las computadoras cuánticas tienen el potencial de revolucionar industrias enteras, y los países que lideren este desarrollo podrán obtener una ventaja competitiva muy significativa.

“Pero, para aprovechar este potencial, es necesario que se invierta en la formación y el desarrollo del talento que permita aprovechar los beneficios de esta tecnología. No hay suficientes personas que entiendan las implicaciones en cuanto a mecánica y física cuántica, o cómo trabajar con la nueva lógica que proporcionan estos sistemas”.

En cualquier caso, es importante plantear una adecuada gestión de expectativas. Esta es una tecnología capaz de provocar disrupciones en muchos sectores, pero todavía no hemos llegado ahí. “Tenemos que estar preparados, examinar bien el caso de uso y saber exactamente dónde se puede aplicar; pero no va a sustituir a la computación clásica. Ambas van a coexistir”.