Source: The Conversation – (in Spanish) – By Josu Etxezarreta Martinez, Investigador en computación cuántica, Universidad de Navarra
El 14 de abril se celebra el Día Mundial de la Cuántica. La propuesta surgió en 2021 como una iniciativa impulsada por científicos, educadores y divulgadores de distintos países. Con el tiempo, la iniciativa ha recibido el apoyo de diversas organizaciones científicas y académicas de todo el mundo, aunque no está ligada a una entidad concreta como ocurre con algunos días internacionales oficiales.
Se eligió el 14 de abril por su relación simbólica con la física cuántica. Esta fecha –según la representan en el mundo anglosajón, poniendo primero el número del mes y luego el del día– forma el 4.14, las tres primeras cifras redondeadas de la constante de Planck.
Max Planck fue el primero en proponer la cuantización de una magnitud física, y su constante marca la frontera entre el mundo clásico y el cuántico.
En nuestras vidas
Más de un siglo después, y tras innumerables avances tecnológicos derivados de la mecánica cuántica –como el transistor, el láser o la resonancia magnética–, nos encontramos ante una nueva frontera: la computación cuántica. Las supermáquinas en desarrollo prometen abordar problemas que la computación clásica no puede resolver eficientemente.
En un contexto dominado por el hype y el FOMO, es habitual encontrar afirmaciones sobre su impacto inmediato en ámbitos como el desarrollo de fármacos, nuevos materiales o la lucha contra el cambio climático. Pero ¿en qué punto estamos realmente?
La ventaja cuántica
La llamada ventaja cuántica se refiere a la capacidad de resolver problemas de forma más eficiente que con métodos clásicos. Esto no implica que un procesador cuántico sea más rápido en términos de operaciones por segundo, sino que puede requerir muchas menos operaciones para resolver ciertos problemas. De hecho, un supercomputador clásico actual puede alcanzar el orden del trillón (un millón de billones) de operaciones por segundo, mientras que los dispositivos cuánticos actuales operan en torno al millón por segundo.
Hasta ahora, dicha ventaja se ha demostrado experimentalmente en problemas sin aplicaciones prácticas directas. Esto ha desplazado la pregunta de si es posible la ventaja cuántica a si es posible lograr una ventaja cuántica útil.
¿Sabemos hacer algo con un ordenador cuántico?
Uno de los campos más prometedores es la simulación de sistemas físicos cuánticos. De hecho, esta fue la motivación original: si la naturaleza es cuántica, construyamos máquinas que sigan sus mismas reglas. Así, la simulación de la evolución de sistemas cuánticos de muchos cuerpos mediante técnicas como la descomposición de Trotter fue una de las primeras propuestas con ventaja teórica demostrada. Esto tiene implicaciones en el estudio de materiales magnéticos, materia condensada o física de partículas.
Ventajas químicas
En química cuántica, el potencial es especialmente relevante. Algoritmos como la estimación de fase o la diagonalización cuántica de Krylov podrían permitir estudiar sistemas complejos como el FeMoCo, responsable de la fijación del nitrógeno en la naturaleza. Comprender este proceso permitiría replicar de forma eficiente la producción de amoníaco, clave para fertilizantes y energía, frente a los métodos industriales actuales, mucho más costosos energéticamente.
La amenaza para la seguridad en comunicación y la IA cuántica
Más allá de la simulación, también existen algoritmos cuánticos con impacto en computación. El más conocido es el de Peter Shor, capaz de factorizar números grandes de manera eficiente, lo que supone una amenaza para la criptografía actual.
En el ámbito del machine learning y la inteligencia artificial, se han propuesto algoritmos como los variacionales, aunque aún no está claro si ofrecen ventajas reales. Propuestas recientes como la interferometría cuántica decodificada (DQI por sus siglas en inglés) sugieren posibles ventajas en problemas de optimización muy relevantes para la industria, pero todavía están lejos de aplicaciones prácticas.
Los errores y la presión de los algoritmos clásicos
Entonces, ¿por qué no tenemos ya ventajas cuánticas útiles? Los dispositivos actuales, en el orden de 100 cúbits (los equivalentes cuánticos de los bits clásicos), presentan errores frecuentes –aproximadamente uno cada mil operaciones–, lo que restringe la longitud de los algoritmos que pueden ejecutarse de forma fiable. Esto ha permitido que muchas de las demostraciones cuánticas sean rápidamente replicadas mediante técnicas clásicas avanzadas, como redes de tensores o métodos de propagación de operadores, que continúan mejorando y ejerciendo presión sobre el campo cuántico.
Dudas razonables
Varios estudios han puesto en duda algunas propuestas de ventaja cuántica en machine learning. En ciertos casos, si los algoritmos pueden entrenarse eficientemente, también pueden ser simulados clásicamente. En otros, los problemas que tratan de resolver son demasiado simples para que haya ventaja cuántica. Las otras propuestas como DQI no tienen aún aplicaciones prácticas directas, por ahora, ya que abordan problemas que requieren una cierta estructura para ser eficientes.
La presión de los métodos clásicos y el estudio de los límites de las propuestas cuánticas son fundamentales para entender para qué puede servir un ordenador cuántico.
Corrigiendo errores a cambio de tiempo y tamaño
La solución a largo plazo pasa por la corrección cuántica de errores. Esta técnica consiste en construir cúbits lógicos fiables a partir de muchos cúbits físicos ruidosos. En principio, permite reducir los errores de forma arbitraria, pero a costa de un gran aumento en los recursos necesarios. Las estimaciones más aceptadas (aquí sólo tomo en cuenta artículos que han pasado revisión por pares) de los recursos necesarios para romper una clave criptográfica utilizada en la vida real (RSA-2048) hablan de requerir 20 millones de cúbits ruidosos y una ejecución de 8 horas. Esto para reducir la tasa de fallo a un error por cada billón de operaciones.
Aunque hay recientes propuestas que sugieren reducir estos requisitos a decenas o cientos de miles de cúbits, asumen avances tecnológicos que aún no se han logrado y que no son triviales. Pensemos que se han tardado más de 20 años en demostrar experimentalmente las propuestas originales de Alexei Kitaev del código de superficie. Aunque el progreso es rápido, se requiere tiempo para avanzar. Especialmente cuando tenemos procesadores de 100 cúbits y necesitamos decenas o cientos de miles de estos.
Luchando contra la naturaleza
El mensaje, sin embargo, no debe ser de pesimismo, sino de cautela. En un entorno dominado por el hype, es responsabilidad de la comunidad científica ser rigurosa y honesta sobre el estado real de la tecnología. La computación cuántica tiene un potencial enorme, pero su impacto transformador requiere todavía de avances fundamentales y ciencia básica. Es nuestra responsabilidad determinar de manera rigurosa para qué tareas puede ser útil un ordenador cuántico.
Mientras visitaba la Universidad de Cambridge tuve el placer de asistir a una charla impartida por el profesor Mikhail Lukin, líder mundial en computación cuántica basada en átomos fríos. En ella, Lukin remarcó que la corrección cuántica de errores trata de construir estados cuánticos a escalas nunca alcanzadas. En cierto modo, se trata de luchar contra la propia naturaleza, que tiende a confinar los efectos cuánticos a escalas muy pequeñas. Creo que conseguiremos desafiar a la constante de Planck realizando estas máquinas cuánticas, pero ¿sabremos qué hacer con ellas?
El Día mundial de la Cuántica es un gran momento para celebrar todo aquello que se consiguió en la denominada primera revolución cuántica en el siglo XX. Y también para abordar con optimismo esta nueva era en la que estamos inmersos: la segunda revolución cuántica.
Josu Etxezarreta Martinez no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado.
– ref. Día Mundial de la Cuántica: estado actual, retos y perspectivas de la computación cuántica – https://theconversation.com/dia-mundial-de-la-cuantica-estado-actual-retos-y-perspectivas-de-la-computacion-cuantica-280391