El cómputo cuántico: la nueva frontera de la computación

La informática cuántica es más que un anhelo tecnológico. Se vislumbra como un negocio muy prometedor.

Por Federico Kukso

Se habla de ella en los pasillos de las convenciones de ciencia ficción y en las ferias de tecnología en Las Vegas. Se le busca en antiguas librerías y en depósitos abandonados. Y no falta quien, harto de escuchar tanto sobre ello, repita que se trata sólo de un mito, un truco publicitario impulsado por el boca a boca y por nuestra nostálgica afición por lo retro. Pero se equivoca: existe.

En mayo de 1983, la editorial Random House publicó un pequeño y llamativo libro: Star Wars: preguntas y respuestas sobre computadoras. En él, las dos grandes estrellas del momento –los robots C3PO y R2D2 de la saga espacial de George Lucas– explicaban lo que por entonces era una inquietante novedad, un desconocido que pronto se iba a instalar en la casa de todos. “Una computadora es una máquina que obedece una lista de comandos guardados en su memoria –instruían al asombrado lector como quien describe un territorio hasta entonces no cartografiado–. No son particularmente buenas para actuar como criaturas reales, pero están aprendiendo. Se les enseña a ver, escuchar, pensar y ser creativas. Las computadoras son espejos de nuestra imaginación”.

C3PO y R2D2 daban la bienvenida, en los inicios de los 80, a una nueva era, la de la informática personal. Con el estreno de Star Wars: El despertar de la Fuerza en diciembre próximo, este dúo robótico bien podría repetir e introducirnos en la siguiente etapa informática que se avecina: la de la computación cuántica.

Cómputo cuántico, informática cuántica, computación cuántica. Tiene varios nombres, pero se trata de lo mismo. Se habla de ella una y otra vez, tanto como de robótica, inteligencia artificial y cambio climático. Pero sobre todo se le espera. A tal punto que, sin que hayamos oído la señal de arranque, ha dado inicio una carrera internacional –como la de­satada hace 75 años para producir la bomba atómica– para ver qué país y qué empresas logran desarrollar la próxima generación de máquinas, aquellas que prometen alcanzar velocidades y volúmenes de procesamiento jamás imaginados para resolver problemas hoy inabordables, construir mejores modelos de la realidad para hacer predicciones más precisas y resolver en minutos cálculos que las actuales y más potentes supercomputadoras no podrían lograr ni en miles de millones de años. Y, en el camino, transformar la vida en la Tierra.

La máquina mágica

Ocurrió el 25 de mayo de 2011. Aquel día –un miércoles– la compañía canadiense D-Wave Systems anunció al mundo que lo había logrado. En sus palabras, sus ingenieros habían desarrollado la primera computadora cuántica de la historia: una enorme caja negra que funciona como un freezer y que contiene, en el interior de sus paredes de tres metros de alto, un chip de niobio –el elemento 41 de la tabla periódica– a 273 °C bajo cero. A dos semanas del evento, representantes de Lockheed Martin –la empresa de defensa más grande del mundo– desembolsaron 15 millones de dólares, compraron el primer prototipo y reservaron el segundo. Les siguió Google y la NASA.

Pese a que muchos físicos repiten que a D-Wave se le conoce por sus anuncios exagerados, nadie se quiere quedar rezagado. Reino Unido, China, Rusia, Australia, Holanda, México y organizaciones como la CIA, la Agencia Nacional de Seguridad (NSA, en inglés) y el Pentágono participan en investigaciones. Buscan avanzar en el desarrollo de una nueva arquitectura de la computación.

Pero, ¿qué es?

“Una computadora cuántica es una máquina hipotética que se basa en los principios de la mecánica cuántica que gobiernan en el mundo subatómico con el objetivo de solucionar problemas mucho más rápido que las computadoras actuales”, indica Scott Aaronson, profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencia Computacional del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). “En las computadoras comunes que usamos todos los días, los elementos fundamentales son los bits que alternan entre ceros y unos para codificar y manipular información. En las cuánticas, en cambio, la información podría almacenarse en un átomo, un qubit o bit cuántico, o sea, un átomo de información. Así, en teoría, estas computadoras aún inexistentes serían mucho más eficientes”.

La estrella de la época que se avecina , el qubit, permitirá superponer ambos estados –ser 0 y 1 a la vez– y realizar cálculos simultáneamente. Como dijo Eric Ladizinsky, cofundador de D-Wave, en una conferencia en Londres en 2014: “Supongamos que queremos encontrar una X en una página de la colección de 37 millones de libros de la Biblioteca del Congreso de EU. Una computadora clásica inspeccionaría cada página, una a la vez. En cambio, una cuántica analizaría todas al mismo tiempo: como si dividiera la tarea en 1,000 millones de universos paralelos, encontrará la respuesta y luego te mostrará dónde se encuentra la X”.

Ahí, según Aaronson, radica su atractivo: “Podría descifrar todos los códigos secretos del mundo y poner en jaque la seguridad de los sistemas informáticos, así como las transacciones financieras”. Los documentos clasificados que en 2013 hizo público el consultor tecnológico estadounidense Edward Snowden, revelaron que la NSA de EU trabaja en la construcción de su propia computadora cuántica capaz de descifrar cualquier contraseña, incluso las de más alta seguridad. “Penetrando objetivos difíciles” es el título de su programa de investigación de 79.7 millones de dólares.

Nueva carrera tecnológica

La idea de las computadoras cuánticas surgió antes de la publicación de aquel librito en el que R2D2 y C3PO ofician de profesores de informática. Uno de los primeros en pensar en estos temas fue el físico Richard Feynman, quien, durante una conferencia en el MIT en 1981, analizó por primera vez las limitaciones de las computadoras tradicionales para simular el mundo cuántico, aquel reino de las partículas subatómicas en el que no rigen las leyes del sentido común.

Una década después, Peter Shor, un matemático de los Laboratorios Bell, continuó la línea de pensamiento de Feynman y, en 1994, impulsó este campo al imaginar cómo programar una computadora cuántica. A Shor se le ocurrió una forma radicalmente nueva de procesar la información, posibilitada por las propiedades exclusivas de la mecánica cuántica.

Desde entonces, investigadores de todo el mundo trabajan en el desarrollo de estos artefactos. Google cuenta con una unidad llamada Quantum Artificial Intelligence (Inteligencia Artificial Cuántica o QuAIL), que en colaboración con la Universidad de California en Santa Bárbara y la agencia espacial estadounidense, tiene como objetivo desarrollar una máquina cuántica capaz de aprender.

En el Laboratorio Nacional de Los Álamos opera una de las facilidades de computación cuántica más importantes del mundo. IBM busca invertir 3,000 millones de dólares en cinco años. Y el gigante chino Alibaba expande su complejo QiLabs. Jack Ma, presidente del gigante de comercio electrónico en internet, invirtió 25 millones de dólares en el proyecto, en colaboración con la Academia China de Ciencias. “La computación cuántica cambiará el mundo para siempre”, afirmó Wang Jian, jefe de tecnología de Alibaba.

Los beneficios de esta tecnología son muchos: podría, por ejemplo, desarrollar nuevos medicamentos, además de acelerar el secuenciamiento de genomas, lo cual impulsaría la medicina personalizada. También sería capaz de rastrear millones de publicaciones en redes sociales para dar con un potencial terrorista. Además, aceleraría la detección de exoplanetas en la marea de datos recopilados por el telescopio Kepler.

“Nos ayudaría a entender cómo una medicina o proteína afecta a un paciente con VIH. Algo que nos tomaría décadas o siglos hacer con una computadora convencional. También podríamos entender problemas complejos, como por qué suceden las crisis financieras y cómo nos afectan”, explica el doctor Salvador Venegas, investigador del Tecnológico de Monterrey.

Se estima que una computadora cuántica de sólo 50 qubits podría superar a cualquier supercomputadora TOP500 actual. “Su potencia me sigue sorprendiendo –afirma el físico canadiense Raymond Laflamme, director ejecutivo del Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo, en Ontario, un centro de investigación que forma parte del plan de Mike Lazaridis, cofundador del fabricante de smartphones BlackBerry, para inventar una computadora cuántica y convertir a esta ciudad a 113 kilómetros de Toronto en un Quantum Valley–. Estas máquinas cambiarán las bases de la ciencia informática y lo que entendemos por computable”.

La eterna espera

Pese a los anuncios exagerados de D-Wave, gran parte de los físicos y matemáticos que trabajan en este campo desconfía. “Dada la escasez de información que aporta esta empresa, es difícil saber si la máquina opera en un estado cuántico”, señala Christopher Monroe, investigador de información cuántica en el Joint Quantum Institute y la Universidad de Maryland.

Sea o no una computadora cuántica, habrá que esperar. Los investigadores aseguran que estamos a 20 años del desarrollo de la primera computadora cuántica completamente funcional y programable. Otros sostienen que nunca llegaremos a crearla. La razón: primero es necesario dominar y entender el mundo microscópico. Y nada está más lejos de poder manipular a voluntad átomos para poder guardar y transmitir información.

Si quisiéramos construir una computadora cuántica necesitaríamos tener de cientos a millones de átomos vibrando al unísono, un logro que supera las capacidades actuales. “Por el momento podemos hacer experimentos para probar nuestras teorías con sólo cinco átomos o diez –explica el físico español Ignacio Cirac, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Munich, Alemania–. Si quisiéramos diseñar una de estas máquinas necesitamos 10,000, 100,000 o un millón”.

Actualmente, si bien hay miles de científicos trabajando en estos temas, sólo existen prototipos pequeños como la primera computadora cuántica de un qubit –desarrollada en 1998 por Isaac Chuang–, una capaz de controlar siete qubits –IBM, 2001–, y otra de 8 qubits –Rainer Blatt, 2005–. En 2006, se superó la marca de los 12 qubits. En 2011, la de 14 qubits.

“Estamos en el borde de un nuevo territorio –indica Laflamme–. Cada experimento que se realiza es un pequeño paso. Nos demuestran que no hay una pared. La gran interrogante es si lograremos hacer la transición de la teoría a la práctica”. Habrá que darle tiempo a la ciencia. Mientras eso ocurre, algunos investigadores confían en que será una realidad.