El susurrador de átomos
Juan Ignacio Cirac, uno de los grandes nombres de la computación cuántica actual y director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, estuvo en Argentina y dio una conferencia magistral. Repasó desde los inicios teóricos de las computadoras cuánticas, hasta los problemas que enfrentan desde el punto de vista científico. Con un optimismo que contagia, habló con NexCiencia, con la intención de ofrecer una idea del estado del arte en este campo de investigación que no deja de maravillar y generar interrogantes.
Sentado con la calma de quien ha dedicado décadas a descifrar lo invisible, el físico teórico Juan Ignacio Cirac, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, no habla como un tecnócrata, sino como un explorador. Para él, la computación cuántica no es solo una carrera por procesadores más rápidos, sino una forma de interrogar a la naturaleza. «Yo hago una investigación muy fundamental, muy básica. Lo que me apasiona es descubrir nuevos fenómenos, nuevas posibilidades, ver cómo funciona, describir lo que nos rodea», confiesa con una honestidad que desarma la complejidad de su campo de estudio.
En su reciente paso por el país, visitó la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA para dar una conferencia magistral en el Aula Magna del Pabellón 1, donde trazó un mapa realista de esta revolución, alejándose de las promesas mágicas para centrarse en la fascinante -y difícil- realidad de los átomos y sus usos en computación cuántica. ¿De dónde venimos? ¿Hacia dónde podemos llegar a ir? ¿Qué problemas hay que resolver y cuán realista es la esperanza a futuro? Solo son algunos de los problema sobre los cuales Cirac habló y reflexionó, sin exitismos ni falsas promesas.
La computación cuántica no nació ayer. El recorrido comenzó en 1981 con las propuestas de Richard Feynman, seguidas por el desarrollo de algoritmos fundamentales como los de Shor y Grover a mediados de los ´90. El artículo «Quantum Computations with Cold Trapped Ions«, publicado en 1995 por Juan Ignacio Cirac y Peter Zoller, también es considerado un trabajo fundacional en el campo de la computación cuántica, dado que propuso por primera vez un sistema físico realista para implementar una computadora cuántica. La plataforma estaba basada en una trampa lineal de iones fríos que interactuaban con haces de láser. En este sistema, cada ion actúa como un qubit (bit cuántico) utilizando dos de sus estados internos (un estado fundamental y un estado excitado) para representar la información cuántica.
El camino dio un vuelco en 2019, cuando Google anunció que su computadora cuántica había realizado en minutos un cálculo que a una súper computadora clásica le llevaría milenios.
El camino hacia el presente dio un vuelco en octubre de 2019, cuando la mega corporación Google anunció que su computadora cuántica había realizado en minutos un cálculo que a una súper computadora clásica le llevaría milenios. «Era la primera vez que un ordenador cuántico mostraba su potencia», recuerda Cirac. Este hito marcó el inicio de la era NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), una etapa caracterizada por computadoras cuánticas que ya muestran su potencia pero que todavía son imperfectas y tienen errores constantes. Según Cirac, este avance disparó una carrera tecnológica con inversiones masivas de gigantes como IBM, Microsoft y China, estimándose una inversión global de 55 mil millones de dólares para el año 2025.
Sin embargo, la realidad no es ni obvia ni simple. Cirac es tajante sobre las expectativas: no tendremos una “notebook cuántica” en casa. «Probablemente no necesitemos una computadora cuántica personal para contestar el correo electrónico, sería como si para irte desde aquí, de Ciudad Universitaria, te fueras al centro de Buenos Aires usando el Space X», bromea para ilustrar que estas máquinas son, y serán, herramientas para investigar problemas de magnitudes colosales.
¿Por qué tanta inversión por algo tan específico? Y pequeñito: una computadora cuántica, o mejor dicho su núcleo central, es un dispositivo (por usar expresiones cotidianas) que mide apenas unos pocos centímetros. Y es que las computadoras cuánticas no son solo mejores que las actuales, sino que funcionan con reglas distintas.
Una de ellas es el “principio de superposición”, una de las leyes fundamentales de la física cuántica que permite que los objetos microscópicos, siempre que estén bien aislados, se comporten “de una manera muy extraña” y puedan hacer varias cosas a la vez.
La conferencia se llevó a cabo en el Aula Magna del Pabellón 1 de Ciudad Universitaria.
Para explicarlo en palabras sencillas, Juan Ignacio Cirac utiliza la analogía de las puertas: «Yo solo puedo pasar por una puerta a la vez; sin embargo estas partículas cuánticas pueden pasar por dos puertas al mismo tiempo. Se les dobla su vida, pueden estar en diferentes estados o realizar diferentes acciones al mismo tiempo”.
En términos de computación, esto se traduce en lo siguiente: en una computadora clásica, un bit solo puede ser 0 o 1. Pero en una cuántica su par cuántico, un qubit, puede estar en el estado 0, en el 1 y en una superposición de ambos al mismo tiempo.
Esta capacidad de estar en múltiples estados a la vez es, junto con el entrelazamiento, lo que permite a las máquinas cuánticas procesar información siguiendo leyes físicas distintas a las de las computadoras analógicas que tenemos en nuestras casas y laboratorios, otorgándoles una potencia mucho mayor para resolver ciertos problemas específicos.
Como todo, esta súper capacidad de estar en varios sitios, que les permite procesar información con una potencia teórica masiva, tiene un precio: la fragilidad. Porque aquí entra otra característica de las computadoras cuánticas: el entrelazamiento, una conexión íntima y necesaria entre los qubits. Para que un ordenador cuántico funcione, los científicos necesitan explotar esta relación entre los qubits para procesar información siguiendo las leyes de la física cuántica.
¿Por qué tanta inversión por algo tan específico? Es que las computadoras cuánticas no son solo mejores que las actuales, sino que funcionan con reglas distintas.
Sin embargo, el entrelazamiento funciona como una espada de doble filo. El problema surge cuando un qubit se abraza con el objeto equivocado. Es entonces cuando puede haber interacciones con partículas microscópicas «indeseadas», como átomos o fotones errantes (o una molécula de aire o una vibración), que pueden colarse en la computadora y tocar los qubits. “Incluso si se utiliza una cámara de vacío, este nunca es perfecto, y una sola molécula residual puede arruinar el cálculo”, aclara Cirac. La consecuencia es que si ocurre un error durante el proceso, el resultado final de la computación será incorrecto.
Pero también puede haber fallas en la manipulación de los qubits, porque las herramientas para controlar los qubits, como los láseres, no son perfectas. Las pequeñas fluctuaciones en estas herramientas pueden hacer que un qubit “se dé la vuelta” (cambie su estado de forma no deseada) o se desface. Y es por eso que construir estas máquinas de manera tal que los errores sean los menos posibles o no existan es un desafío de ingeniería casi poético.
Cirac se muestra particularmente entusiasta respecto de una técnica efectiva en este sentido. Se trata de la técnica de los átomos de Rydberg, una de las plataformas más potentes y de más rápido crecimiento en la computación cuántica actual. “Este método permite manipular qubits utilizando átomos neutros y luz láser con una precisión asombrosa”, resume el físico español.
El silencio en el Aula Magna del Pabellón 1 es total. Y Cirac concluye entonces su descripción: “Esta tecnología permite realizar operaciones en paralelo con cientos de átomos (actualmente unos 400) y presenta una alta fidelidad, lo que la hace sumamente competitiva frente a otras plataformas como los superconductores”.
Cirac es tajante sobre las expectativas: no tendremos una “notebook cuántica” en casa. Estas máquinas serán herramientas para investigar problemas de magnitudes colosales.
De algún modo, en las computadoras cuánticas la información se va tejiendo átomo por átomo. Actualmente, existen prototipos competitivos de computadoras cuánticas que tienen alrededor de 400 qubits. Algunos experimentos específicos con otra plataforma, la de átomos fríos, ya han logrado trabajar con estructuras de hasta 30 mil átomos. ¿Parecen muchos, teniendo en cuenta los desafíos? Pues no. Para que sean realmente útiles frente a las computadoras clásicas en problemas complejos, Cirac estima que se necesitará alcanzar el millón de qubits con corrección de errores.
El punto es que en la búsqueda de eliminar entrelazamientos indeseados y errores, los qubits deben estar en cámaras de vacío extremo o a temperaturas bajísimas. Por eso, aunque el corazón de una computadora cuántica (donde están los qubits) sea algo extremadamente pequeño, el equipo necesario para operarlo es muy grande. Debido a las condiciones extremas de vacío o temperaturas bajísimas que se necesitan, hay que recurrir a equipos electrónicos masivos, láseres de altísima precisión y computadoras convencionales para coordinar todo el sistema.
«Es un poco paradójico que para algo que es tan pequeño, lo que se utiliza para operarlo sea mucho más grande», reflexiona Cirac, y hace referencia a los enormes equipos electrónicos necesarios para manipular lo invisible. Muchos de estos equipos ni siquiera se pueden comprar: «Tienes que hacerlos en tu laboratorio porque no hay equipos tan precisos».
Aunque el corazón de una computadora cuántica (donde están los qubits) sea algo extremadamente pequeño, el equipo necesario para operarlo es muy grande.
¿Adiós a nuestros secretos?
Uno de los usos más fuertes de las computadoras cuánticas es la capacidad de descifrar mensajes encriptados con la tecnología actual, como la criptografía que utilizan los bancos o el blockchain. Cirac advierte que estudios recientes son “agresivos”: con apenas 10 mil o 30 mil átomos, se podrían descifrar mensajes en 90 días. Esto ha generado una “revolución política”. “A los políticos no les interesa tanto tener ese sistema… sino que no lo tengan otros o al menos tenerlo al mismo tiempo que los otros”, comenta sobre la urgencia estratégica de la “criptografía poscuántica” y las consecuencias geopolíticas de la competencia entre China y Occidente, por ejemplo.
Mientras llega la computadora universal (en unos 10 o 15 años, con mucha esperanza y viento a favor), ya se están utilizando simuladores cuánticos. Es una computación inspirada en la física cuántica, en el sentido de que se trata de una modalidad de procesamiento que utiliza algoritmos diseñados bajo los principios de la mecánica cuántica, pero que se ejecutan en computadoras clásicas tradicionales. “La diferencia es clave -señala el científico que trabaja en el Instituto Max Planck-. La computadora es universal y programable como una PC; el simulador es una máquina dedicada a emular un problema físico específico”.
Se le llama «inspirada» porque, aunque el algoritmo nace de conceptos como la superposición o el entrelazamiento, no requiere de un procesador cuántico físico para funcionar, se basa en la lógica cuántica para mejorar procesos clásicos. Esta técnica permite obtener ventajas en el procesamiento de datos o resolución de problemas complejos sin esperar a que las computadoras cuánticas perfectas (libres de errores) estén terminadas.
Incluso si hoy fallan, el trabajo actual de Cirac busca demostrar que estos simuladores ya tienen una «ventaja exponencial». Su investigación matemática prueba que, a medida que el hardware mejora, es imposible que las computadoras clásicas alcancen los resultados de un experimento cuántico, incluso si este tiene errores.
Cirac mantiene la curiosidad de quien piensa que lo mejor está por venir. Para este pionero, el éxito no se mide solo en patentes, sino en el conocimiento puro. «Las aplicaciones más importantes de las computadoras cuánticas están todavía por descubrirse», afirma con la convicción de que, una vez que la herramienta esté lista, la humanidad encontrará formas de usarla que hoy ni siquiera podemos imaginar.
Básica y aplicada
– ¿En este momento particular de la historia hay algún pedido de centrarse en la aplicación práctica de la investigación o la investigación básica sigue siendo hecha sin presiones?
– En el Max Planck, la investigación básica es la investigación básica y no tenemos ninguna presión para que sea aplicada, pero también hay investigación aplicada y ahí sí que hay presión. Lo que es bueno es tener un buen balance entre la investigación aplicada, que es muy importante para llevar la tecnología a nuestra sociedad y la investigación básica, que es la tecnología del futuro y la economía del futuro lejano. Entonces, bueno, es un balance Y en Alemania se balancea. En otros países no tanto. Creo que Alemania es un buen ejemplo de cómo las dos, la investigación básica y la aplicada, son necesarias y se apuesta por ambas.
