Aqu¨ª empieza la revoluci¨®n cu¨¢ntica

El laboratorio est¨¢ en un lugar apartado, en una peque?a oficina sin identificar. Tiene un aire ca¨®tico, antiguo, un poco vintage. Hay cables sueltos, destornilladores, piezas de ordenador, pizarras con f¨®rmulas matem¨¢ticas, ordenadores desmontados. Y dentro de una campana roja, conectado con decenas de cables, una especie de imponente candelabro de medio metro que entona un suave y constante chip, chip, chip. Cuesta creer que en este lugar apartado, a unas dos horas de Los ?ngeles, se produjera en octubre un gran hito de la tecnolog¨ªa que salt¨® a la primera p¨¢gina de todos los diarios. Aqu¨ª, en el laboratorio de computaci¨®n cu¨¢ntica de Google en Santa B¨¢rbara (EE UU), la compa?¨ªa ha logrado que esa especie de l¨¢mpara gigante realice en 3 minutos y 20 segundos una operaci¨®n para calcular n¨²meros aleatorios que al ordenador m¨¢s potente del mundo le llevar¨ªa miles de a?os. Esa l¨¢mpara alberga un chip cu¨¢ntico y su logro (denominado ¡°supremac¨ªa cu¨¢ntica¡±) es para el leon¨¦s Sergio Boixo, jefe cient¨ªfico de teor¨ªa de la computaci¨®n cu¨¢ntica de Google, como el primer vuelo de los hermanos Wright: un hito a¨²n modesto pero que abre paso a toda una nueva industria que cambiar¨¢ radicalmente la sociedad en la que vivimos. Rivales e investigadores independientes creen que la comparaci¨®n puede ser exagerada, ya que la revoluci¨®n cu¨¢ntica est¨¢ a¨²n muy lejos, pero todos los expertos coinciden en que, cuando llegue, lo cambiar¨¢ absolutamente todo.

Esta es la historia de un mundo fascinante y misterioso, donde las reglas de la f¨ªsica que conocemos, esas que rigen el bote de una pelota o la ca¨ªda de una manzana, no funcionan. El mundo subat¨®mico es una especie de pa¨ªs de las maravillas, un lugar min¨²sculo y extra?o donde Alicia podr¨ªa estar a caballo entre situaciones aparentemente incompatibles, donde lo que se hace en un lugar puede afectar instant¨¢neamente a un objeto que est¨¢ muy lejos, y donde no se puede mirar impunemente porque esa mirada altera el objeto observado, como explica Andr¨¦s Cassinello, autor de La realidad cu¨¢ntica. Y tambi¨¦n es la historia de los pioneros que intentan dotar de sentido a este extra?o mundo para fabricar los ordenadores m¨¢s inteligentes y potentes que ha conocido la humanidad. En la carrera por la computaci¨®n cu¨¢ntica, pa¨ªses como China y Estados Unidos y empresas como IBM y Google han invertido miles de millones de d¨®lares en construir un coche que, en el s¨ªmil de la carrera, no es que adelante a los dem¨¢s, es que llegar¨ªa a la meta unos instantes despu¨¦s del pistoletazo de salida. Es lo que Juani Bermejo, investigadora de la Universidad de Granada, llama ¡°poder¨ªo cu¨¢ntico¡±.

La clave para entender esta revolucionaria tecnolog¨ªa est¨¢ en la base de su funcionamiento. Los ordenadores que conocemos funcionan con bits de programaci¨®n binarios, ¡°0¡± o ¡°1¡±. Pero los bits cu¨¢nticos o c¨²bits tienen tres caracter¨ªsticas que los hacen especiales. Una es la superposici¨®n, por la que dos c¨²bits pueden ser las cuatro combinaciones de ¡°0¡± y ¡°1¡± a la vez, lo que multiplica exponencialmente su capacidad de c¨¢lculo. Es algo parecido a lo que sucede cuando una moneda gira: es una combinaci¨®n de cara y cruz, seg¨²n explica el director de investigaci¨®n de IBM, Dar¨ªo Gil. La segunda idea se llama ¡°entrelazamiento¡± y es muy rom¨¢ntica: el estado de c¨²bits entrelazados no puede ser descrito de manera independiente. En el ejemplo de Gil, si dos monedas entrelazadas giran, al medirlas veremos que si una es cara, la otra tambi¨¦n lo ser¨¢, y si una es cruz, lo mismo ser¨¢ la otra; las probabilidades no son independientes. Y la tercera idea, la de la interferencia, es como ocurre con las olas en el mar, que tienen picos y valles, que pueden interferir en los picos y valles de otras olas, explica Gil. Esta combinaci¨®n tan singular de caracter¨ªsticas, y tan contraintuitiva, hace que la cu¨¢ntica no sea una categor¨ªa m¨¢s de la inform¨¢tica que conocemos. ¡°Es otro mundo, es la primera vez donde se realiza una bifurcaci¨®n en la categor¨ªa de computaci¨®n¡±, explica Gil. ¡°Para m¨ª, estamos en el momento m¨¢s emocionante en el mundo de la tecnolog¨ªa de la informaci¨®n en los ¨²ltimos 50 o 60 a?os¡±, a?ade este experto murciano, que es el primer europeo que dirige la potente divisi¨®n de investigaci¨®n de IBM en sus 75 a?os de historia.

Hay cosas que los ordenadores cl¨¢sicos hacen muy bien y que los superordenadores hacen mejor. Pero los ordenadores cu¨¢nticos est¨¢n en otra dimensi¨®n, y por eso no seremos capaces de saber exactamente qu¨¦ van a poder hacer hasta que se desarrollen en toda su capacidad. Pero s¨ª podemos intuir en qu¨¦ podr¨ªan ayudarnos. Los campos m¨¢s claros son aquellos donde las reglas cu¨¢nticas funcionan al margen de nuestra realidad: la f¨ªsica y la qu¨ªmica. Los ordenadores cu¨¢nticos podr¨ªan simular nuevas mol¨¦culas para la industria farmac¨¦utica que nos ayudaran, por ejemplo, a lograr f¨¢rmacos en tiempo r¨¦cord para una pandemia mundial como la de la covid-19. Tambi¨¦n pueden mejorar nuestro conocimiento sobre c¨®mo se origin¨® el universo, descubrir nuevos materiales, mejorar las bater¨ªas de los coches el¨¦ctricos, lograr un uso m¨¢s eficiente de la energ¨ªa. Y, aunque no parezca demasiado sexy, otro ejemplo relevante es mejorar la fijaci¨®n de nitr¨®geno para producir fertilizantes, que genera m¨¢s del 2% de las emisiones de CO2 del mundo.

La cuesti¨®n es que, como explica Boixo, la inform¨¢tica cl¨¢sica usa el mismo tipo de reglas desde que se invent¨® el ¨¢baco. ¡°Hemos tenido, claro, avances tecnol¨®gicos y en ingenier¨ªa impresionantes: en un ¨¢baco tienes unas pocas piezas y las mueves con las manos, y un superordenador tiene billones de piezas que se mueven miles de millones de veces por segundo. Pero las operaciones fundamentales son las mismas. Ahora tenemos un nuevo m¨¦todo de computaci¨®n distinto a los m¨¦todos con los que llevamos trabajando 3.000 a?os¡±. Gil est¨¢ de acuerdo: ¡°Hay una clase de problemas en el mundo que no podremos resolver de manera eficiente con un ordenador cl¨¢sico. Ni ahora, ni dentro de 20.000 millones de a?os, ni nunca. No estamos diciendo que la cu¨¢ntica vaya a resolver todos los problemas que son dif¨ªciles, sino que es la ¨²nica tecnolog¨ªa que altera lo que es posible resolver¡±.

Mientras habla, Gil recorre los pasillos del impresionante edificio de IBM Research en Yorktown Heights, a una hora y media en coche de Nueva York. Esta mole gigantesca, a lomos de una colina rodeada de bosques, tiene poco que ver con el peque?o laboratorio de Google, a 4.700 kil¨®metros de distancia. IBM presume tambi¨¦n de sus cifras frente a las de su competidor: 109 a?os de historia, seis premios Nobel, 4.000 personas trabajando en I+D en todo el mundo (aunque la compa?¨ªa no aclara cu¨¢ntas de ellas lo hacen en su divisi¨®n cu¨¢ntica). Tiene 16 sistemas cu¨¢nticos en la nube con 220.000 usuarios de m¨¢s de 100 organizaciones que han escrito m¨¢s de 225 trabajos cient¨ªficos con sus sistemas conectados. Y una m¨¢quina que present¨® el a?o pasado, Q System One, y que va a ser instalada en Jap¨®n, como parte de la co?laboraci¨®n con la Universidad de Tokio, y en Alemania, con el Instituto Fraunhofer.

Al otro lado del pa¨ªs, Boixo presume de la supremac¨ªa cu¨¢ntica de Google, un logro nunca antes conseguido. ¡°Comenzamos a hacer c¨¢lculos hace ya tres a?os¡±, explica. ¡°La idea era demostrar que realmente existe un m¨¦todo de computaci¨®n distinto y que en la pr¨¢ctica s¨ª funciona. Nos parece un hito cient¨ªfico muy importante en la historia de la computaci¨®n¡±.

Ninguna de las cifras de IBM, ni tampoco el logro de Google, impresionan demasiado a Juan Ignacio Cirac. El investigador espa?ol, director del Instituto Max Planck de ?ptica Cu¨¢ntica, es una de las personalidades m¨¢s relevantes de la ciencia cu¨¢ntica en el mundo. Reflexiona: ¡°Es un momento interesante, muy interesante, pero lo que tenemos no es todav¨ªa la computaci¨®n cu¨¢ntica. Ese momento, que sabemos que tendr¨¢ un impacto enorme en la sociedad, est¨¢ todav¨ªa muy lejos¡±. Y explica por qu¨¦: ¡°Si ha visitado los laboratorios de Google o IBM, habr¨¢ visto que sus chips tienen much¨ªsimos cables solo para manejar unos 50 c¨²bits. La clave est¨¢ en pasar de 50 c¨²bits a 50 millones. Y ese momento est¨¢ muy lejos¡±.

Para que ese coche de carreras cu¨¢ntico llegue a la l¨ªnea de meta cuando suene el pistoletazo de salida, a¨²n debe superar un camino repleto de dificultades. Como explica Cirac, el m¨¢ximo de c¨²bits alcanzado en este momento por los chips de IBM y Google ronda los 50. Pero esa cantidad es a¨²n min¨²scula. Y los investigadores no pueden aumentarla sin m¨¢s. Los chips cu¨¢nticos son de una delicadeza extrema. Est¨¢n en laboratorios muy controlados, aislados, rodeados de una tecnolog¨ªa complej¨ªsima para hacerlos funcionar. Antonio C¨®rcoles, investigador del equipo cu¨¢ntico de IBM Research en Yorktown Heights, explica en el laboratorio qu¨¦ es lo que ocurre en ese hermoso candelabro rodeado de cables: los c¨²bits superconductores funcionan con microondas y hay que enfriarlos, ya que todo calor en el sistema se traduce en ruido que puede producir errores. El procesador cu¨¢ntico est¨¢ en la parte inferior, que es la m¨¢s fr¨ªa. Esta parte est¨¢ unas 250 veces m¨¢s fr¨ªa que el espacio exterior, y esta temperatura se alcanza progresivamente a lo largo de varias horas desde temperatura ambiente. De ah¨ª el tama?o del sistema y la cantidad de cables que lo sostienen. Todo eso significa que no puedes aumentar el n¨²mero de c¨²bits de tu ordenador a lo loco; el problema es hacerlo sin aumentar tambi¨¦n brutalmente su tama?o y el n¨²mero de cables enchufados a ¨¦l, manteniendo la estabilidad y sin incrementar los errores, porque un ordenador con errores, por muy cu¨¢ntico que sea, no sirve para nada.

En el laboratorio de Google, Boixo se muestra de acuerdo: ¡°Para pasar de 50 c¨²bits a un mill¨®n hay muchos problemas muy dif¨ªciles que resolver. Queremos seguir aumentando ese n¨²mero, pero el nivel de errores tiene que bajar¡±. Por eso, los chips cu¨¢nticos a¨²n hacen tareas muy simples; son los beb¨¦s de los verdaderos ordenadores que, seg¨²n los expertos consultados, podr¨ªan tardar entre 10 y 30 a?os en llegar. ¡°En tecnolog¨ªa es muy dif¨ªcil predecir nada m¨¢s all¨¢ de 10 a?os¡±, explica Juani Bermejo, que es investigadora Athenea3i-Marie (Sklodowska) Curie en computaci¨®n cu¨¢ntica. ¡°Pero las predicciones de cu¨¢ndo ser¨¢n ¨²tiles los ordenadores cu¨¢nticos requiere que se desarrolle la tecnolog¨ªa de correcci¨®n de errores que a¨²n no se ha desarrollado¡±. Bermejo insiste: los ordenadores cu¨¢nticos no est¨¢n volando ni cerca de volar, en la met¨¢fora de los hermanos Wright que usa Google. ¡°Est¨¢n en pa?ales¡±.

Treinta a?os son toda una vida para un individuo. Pero para las grandes empresas, centros de investigaci¨®n y Gobiernos significa que el momento para prepararse para la gran era cu¨¢ntica es ahora. Federico Carminati es el director de innovaci¨®n del CERN, la Organizaci¨®n Europea para la Investigaci¨®n Nuclear, el mayor laboratorio de investigaci¨®n en f¨ªsica de part¨ªculas en el mundo y lo m¨¢s parecido a una catedral de la ciencia, si la ciencia creyera en Dios. El CERN trabaja ya en computaci¨®n cu¨¢ntica con IBM, Google, Intel o Microsoft, y Carminati explica por qu¨¦: ¡°Para m¨ª es como comprar un billete de loter¨ªa. Si me pregunta si llegar¨¢ la computaci¨®n cu¨¢ntica, mi respuesta es que s¨ª. La cuesti¨®n es cu¨¢ndo. Pero, mientras tanto, es muy importante que al menos unas cuantas personas en la organizaci¨®n entiendan y conozcan qu¨¦ es y c¨®mo usar computaci¨®n cu¨¢ntica. Si no llega, ser¨¢ una interesante aventura intelectual. Y si llega, estaremos preparados para usarla y explotarla¡±. Katie Pizzolato, directora de la red de clientes de tecnolog¨ªa cu¨¢ntica de IBM, explica que el trabajo de la empresa con esos clientes que usan ya su tecnolog¨ªa cu¨¢ntica en la nube (farmac¨¦uticas, empresas de automoci¨®n, compa?¨ªas financieras o el propio CERN) es algo distinto del habitual: ¡°Nos dicen: ¡®Estas son las cuestiones que podr¨ªan ser interesantes, valiosas o disruptoras en nuestra industria. ?C¨®mo podemos empezar a afrontar esos problemas desde una ¨®ptica cu¨¢ntica?¡¯. Ha pasado mucho tiempo desde que en tecnolog¨ªa tenemos una pizarra en blanco, as¨ª que lo que les preguntamos es qu¨¦ querr¨ªan hacer ahora que no pueden hacer con la tecnolog¨ªa actual. Y empezamos a trabajar¡±. Para Ismael Faro, responsable de software y servicios cloud de IBM Quantum en Yorktown Heights, lo mejor de trabajar d¨ªa tras d¨ªa en un m¨¦todo que a¨²n no est¨¢ claro para qu¨¦ va a servir es ¡°compartir tiempo con gente que tiene pasi¨®n por tecnolog¨ªas que solo hace unos a?os sonaban a ciencia-ficci¨®n; es como una ventana al futuro¡±.

PODCAST Extra EPS: Poder cu¨¢ntico

Las empresas est¨¢n invirtiendo mucho dinero en esta tecnolog¨ªa que adem¨¢s es car¨ªsima. Ni Google ni IBM hacen p¨²blicas las cifras de lo que gastan en ella, ni los clientes que la usan cuentan cu¨¢nto gastan, pero basta un dato para hacerse una idea: el prototipo cu¨¢ntico 2000Q de la empresa D-Wave cuesta 15 millones de d¨®lares (algo m¨¢s de 13 millones de euros). Las empresas de capital riesgo invirtieron alrededor de 1.oo0 millones de d¨®lares en empresas reci¨¦n creadas (start-ups) en 2017, seg¨²n datos de Statista. Tambi¨¦n se registraron 925 patentes ese a?o relacionadas con tecnolog¨ªa cu¨¢ntica, el doble del a?o anterior, seg¨²n la misma fuente, lo cual demuestra c¨®mo ha aumentado el inter¨¦s de diferentes compa?¨ªas y empresas en este campo. El inter¨¦s ha provocado tambi¨¦n que se intensifique la b¨²squeda de profesionales cu¨¢nticos, que a¨²n no existen en la cantidad que se reclama: ¡°En algunas empresas han contratado estudiantes sin doctorado¡±, explica Bermejo. ¡°Se forma con relativa lentitud, tambi¨¦n porque no hay tantos profesores de universidad que sepan de esto; hasta hace poco, los cu¨¢nticos ¨¦ramos los frikis de las universidades. Hay que formar a gente para que forme a otros¡±, a?ade. Cirac cuenta que en sus centros de formaci¨®n de M¨²nich empiezan a realizar m¨¢steres en computaci¨®n cu¨¢ntica, y tambi¨¦n los est¨¢n poniendo en marcha en universidades como Berkeley, Stanford, el MIT o Harvard. ¡°Los profesionales del futuro tienen que estar preparados en campos como la f¨ªsica y la computaci¨®n cu¨¢ntica. Habr¨¢ nuevos trabajos relacionados con la ingenier¨ªa y, m¨¢s adelante, cuando tengamos ordenadores cu¨¢nticos, incluso la programaci¨®n¡±, explica. El espa?ol Paco Mart¨ªn, l¨ªder de desarrollo cloud de IBM Quantum en Yorktown ?Heights, recomienda a los j¨®venes que quieran formarse en esta tecnolog¨ªa que ¡°abran su mente, que no piensen de forma cl¨¢sica mientras asimilan los conceptos b¨¢sicos¡±.

Seg¨²n la consultora BCG, el negocio de la cu¨¢ntica podr¨ªa alcanzar los 60.000 millones de d¨®lares en 2035 y los Gobiernos no quieren quedarse al margen de esta revoluci¨®n. El que va a la cabeza, a gran distancia de los dem¨¢s, es China. Su laboratorio para las ciencias de la informaci¨®n cu¨¢ntica invertir¨¢ 10.000 millones de d¨®lares entre 2017 y 2020. Estados Unidos anunci¨® el a?o pasado una estrategia nacional por la que invertir¨¢ 1.200 millones hasta 2023. Y la Uni¨®n Europea puso en marcha en 2016 una iniciativa que invertir¨¢ 1.000 millones en 10 a?os. Y es que aqu¨ª no se trata solo de ser el primero en conseguir ordenadores potentes que realicen grandes descubrimientos; se trata tambi¨¦n de ocultar tus secretos actuales a tu futuro rival cu¨¢ntico.

La madre del cordero de la tecnolog¨ªa cu¨¢ntica es la criptograf¨ªa. Los sistemas de seguridad actuales est¨¢n protegidos por claves criptogr¨¢ficas que pueden ser m¨¢s o menos descifrables seg¨²n su complejidad y lo h¨¢biles que sean los hackers que tratan de vulnerarlos. Pero la tecnolog¨ªa cu¨¢ntica cambia completamente las reglas del juego, as¨ª que hay que encontrar un nuevo protocolo de seguridad que proteja los datos, pero no ya los del futuro, sino los de hoy. ¡°Sabemos que la tecnolog¨ªa cu¨¢ntica es capaz de descifrar los sistemas de cifrado que se usan ahora mismo; lo sabemos desde hace mucho, y eso tambi¨¦n quiere decir que hemos tenido bastante tiempo para prepararnos¡±, explica Boixo. Gil incide en la idea: ¡°El problema es real y hay que actuar ahora¡±. El almacenamiento de datos es muy barato, as¨ª que un hacker inteligente o un Gobierno rival puede almacenar tus datos encriptados y, en el futuro, utilizar una m¨¢quina cu¨¢ntica para desencriptar tranquilamente el pasado.

China ya ha anunciado que quiere ser el l¨ªder cu¨¢ntico en 2035 y est¨¢ trabajando en una red de comunicaci¨®n impenetrable de la que ya ha hecho las primeras pruebas. Los movimientos chinos han puesto muy nerviosos a algunos senadores estadounidenses, que han empujado al Gobierno de Donald Trump a realizar sus propias inversiones. ¡°De la misma manera en que las armas at¨®micas simbolizaron el poder en la Guerra Fr¨ªa, las capacidades cu¨¢nticas definir¨¢n posiblemente la hegemon¨ªa en nuestra econom¨ªa cada vez m¨¢s digital, global e interconectada¡±, ha escrito el senador republicano Will Hurd en la revista Wired. Por eso, las empresas llaman a implementar cuanto antes un nuevo protocolo de encriptaci¨®n que sea seguro. ¡°Hay una urgencia en cambiar nuestros datos m¨¢s sensibles al nuevo protocolo. Cada d¨ªa que pasa utilizando el sistema del pasado es otro d¨ªa que dejas vulnerable a la desencriptaci¨®n del futuro¡±, explica Gil.

Ese nuevo futuro, cuyas posibilidades empezamos solo a atisbar, puede verse perjudicado por lo que los expertos denominan el ¡°invierno cu¨¢ntico¡±, una ca¨ªda en las expectativas e inversiones dedicadas a este negocio si la tecnolog¨ªa avanza m¨¢s lentamente de lo que se espera, m¨¢s a¨²n ahora que se va a producir una recesi¨®n de consecuencias imprevistas debido a la pandemia del coronavirus. ¡°Creo que puede haber desilusi¨®n, y menos dinero, cuando la gente se d¨¦ cuenta de que ocurre lo que los cient¨ªficos decimos constantemente, y es que los ordenadores cu¨¢nticos cuesta mucho construirlos¡±, dice Bermejo. ¡°La mejor manera de evitarlo es seguir trabajando en aplicaciones pr¨¢cticas y un ordenador tolerante a fallos. Procuramos no esconder las dificultades: estamos al principio de esta carrera¡±, dice Boixo. Cirac es m¨¢s contundente: ¡°Yo estoy convencido de que el invierno cu¨¢ntico va a suceder. Esos son los 10, 15 o 20 a?os de los que hablamos hasta que tengamos un ordenador. En estos momentos tenemos lo que los americanos llaman un hype [promoci¨®n exagerada] acerca de la computaci¨®n cu¨¢ntica. Y luego, con el tiempo, habr¨¢ una resurrecci¨®n¡±.

Ese hype, que nadie niega, tampoco oculta la relevancia que va a tener este cambio tecnol¨®gico en la econom¨ªa, la industria y en nuestras vidas, hasta lo que Boixo espera que sea ¡°una nueva revoluci¨®n industrial¡±. Hasta entonces, hay algunas tareas por el camino, como la soluci¨®n de errores que transforme nuestros procesadores cu¨¢nticos beb¨¦s en aut¨¦nticos ordenadores cu¨¢nticos adultos. Tambi¨¦n habr¨¢ que mejorar la formaci¨®n de una nueva generaci¨®n de f¨ªsicos, ingenieros y programadores. Y tambi¨¦n hay que reflexionar sobre lo que Bermejo llama ¡°investigaci¨®n cu¨¢ntica responsable, porque la tecnolog¨ªa, si no se realiza de manera humana, puede acabar mal¡±. La idea es que no ocurra como con la inteligencia artificial, lastrada por la ausencia de ese factor humano que explica que tenga tantos sesgos y carezca a menudo de ¨¦tica. Pero sean cuales sean los obst¨¢culos, y sea cual sea el tiempo que se tarde en esquivarlos, todos los expertos conf¨ªan en que esta nueva manera de resolver problemas nos llevar¨¢ a realizar descubrimientos y alcanzar logros que nuestra limitada mente de Homo sapiens, que apenas entiende qu¨¦ ocurre en el peque?o submundo cu¨¢ntico, ni siquiera es capaz de empezar a imaginar.¡ªeps