Según la lógica física de la informática del silicio convencional la evolución de la Ley de Moore (cada 18 meses la capacidad de un chip se duplica y su tamaño disminuye a la mitad) está llegando a su fin por puras razones del material físico con que se hacen los chips semiconductores.
El tamaño de la miniaturización del cobre sobre silicio ha llegado a la tecnología de tres nanómetros y el sistema de los canales de cobre sobre semiconductor de silicio con que se han estado fabricando los semiconductores desde hace 50 años está llegando a sus límites físicos.
La imprescindible tecnología de la informática que conocemos para nuestro mundo actual está agotando sus posibilidades de miniaturización y, por lo tanto, de crecimiento de capacidad informática. Ha sido una etapa de crecimiento exponencial, pero, llegados a este punto, ¿cuál es la alternativa?
La más llamativa es la de construir ordenadores cuánticos viables lo cual significaría teóricamente un salto cualitativo y cuantitativo de las posibilidades de la informática, cuya capacidad de cálculo con ello podría aumentar drásticamente en, al menos, varios órdenes de magnitud.
El problema es que, en la informática cuántica, en ciertos aspectos, debe partirse de cero. Cambiar el sistema con que se crea la informática actual puede cambiar de nuevo el mundo que conocemos.
Interior de un ordenador cuántico de IBM.
Diseñar un ordenador cuántico viable
Muy pocos en España saben que fue el físico español Ignacio Cirac, en compañía de su colega Peter Zoller, quienes en 1994 formularon la primera arquitectura de un ordenador cuántico viable que fue publicada el 15 de mayo de 1995. Fue el documento fundacional de la creación del ordenador cuántico y la informática cuántica.
En su abstract se puede leer: "Se puede implementar un ordenador cuántico con iones fríos confinados en una trampa lineal e interactuando con rayos láser. Las puertas cuánticas que implican cualquier par, triplete o subconjunto de iones pueden realizarse acoplando los iones a través del movimiento cuantizado colectivo. En este sistema la decoherencia es despreciable, y la medición (lectura del registro cuántico) puede llevarse a cabo con una alta eficiencia."
Pero eso significa que la del ordenador cuántico seria una informática totalmente distinta a la que hemos conocido hasta hoy. Este tipo de informática ya no habla de bits sino de unidades cuánticas de información o qubits (quantum bits).
Fue el propio Ignacio Cirac en persona, quien me describió esta arquitectura: "tienen que ser sistemas físicos, como los bits que deben estar en cero o uno, pero que también puedan tener la propiedad de la superposición cuántica. Sabemos que esto ocurre a nivel atómico, así que lo único que uno tiene que hacer es ser capaz de escoger una serie de átomos, en este caso iones, y manipular las propiedades de los electrones que forman parte de estos átomos, específicamente la propiedad llamada spin del electrón, con láseres, de tal manera que los electrones cambian de cero a uno y de uno a cero, y que, además, también puede tener superposiciones cuánticas e interactuar entre ellos, para que, de esa forma, se realice la computación cuántica."
"Y, de la misma manera que los ordenadores corrientes manipulan ceros y unos en términos de puertas lógicas, también se pueden utilizar qubits para hacer los cálculos apropiados en términos de puertas lógicas, a las que llamamos puertas cuánticas. Y la manipulación de estas puertas lógicas cuánticas se realiza mediante láseres, es decir, con láseres que apuntan a estos iones, a los que se les envía una pequeña cantidad de luz a cada uno de ellos. La intensidad de la luz enviada y el tiempo durante el cual se envía el pulso de luz depende de cómo sea el programa, en función de lo que uno quiere que hagan los iones, es decir, qué puertas lógicas queremos que se ejecuten. Esto es simplemente lo que hoy en día hace un ordenador cuántico de los que ya tenemos, que son prototipos. Son muy pequeños, pero demuestran que todo esto funciona."
Pero partir de cero para superar la informática que hemos conocido en este último medio siglo no es fácil.
De hecho, pregunté a Cirac, ya hace unos años, sobre si nos llegará un ordenador cuántico verdaderamente funcional, antes de que la ley de Moore se agote y su respuesta fue contundente: "Yo pienso que no. La primera demostración de un ordenador cuántico, que era una demostración básica con un solo de esos qubits, tuvo lugar en 1995, justo después de que publicáramos nuestro artículo, que en uno de sus experimentos se demostró una de las piezas básicas. Luego, en 1997, se realizaron experimentos con dos de los qubits. En el año 2000 había cuatro qubits; en el 2004 había ocho. Hoy tenemos sobre el centenar, y hay gente que dice que probablemente han llegado a varios cientos".
"Ahora bien, si uno extrapola para llegar a 10.000, que es lo que se necesita, o a 100.000, o a 1.000.000 (con corrección de errores o debugging), que sería lo óptimo, aún quedan muchos años por delante. Por lo tanto, para hacer computación en presencia de errores necesitaríamos entre 100.000 y 1.000.000 qubits. Sin embargo, para alcanzar esta cifra, todavía se necesita un importante desarrollo tecnológico, y esto podría llegar en cinco, o tal vez en cincuenta años. No lo sabemos."
La carrera por conseguir un ordenador cuántico funcional
Las promesas de los avances informáticos que pueden representar los ordenadores cuánticos son tan grandes que hay una verdadera carrera por ver quién consigue antes superar las dificultades de la tecnología que citaba Cirac porque esas promesas pueden representar una rentabilidad enorme.
Se cree que la computación cuántica revolucionará de manera exponencial muchos sectores tecnológicos, sobre todo el de las telecomunicaciones, lo cuál afectará también la criptografía y la seguridad de las comunicaciones en internet.
Hoy en día, hacemos uso de la criptografía asimétrica en los sitios web que usamos todos los días. Los dos algoritmos del cifrado asimétrico más usados son RSA, cuyo grado de complejidad tiene que ver con la factorización de grandes números, y la criptografía basada en la estructura matemática de curvas elípticas (ECC).
Precisamente, ya está claro que estos métodos de criptografía serían fácilmente descifrables por el ordenador cuántico ya que es seguro que se desarrollarán algoritmos capaces de aprovechar el paralelismo cuántico para resolver dichos problemas matemáticos complejos. La seguridad de la criptográfica en las comunicaciones no solo es un tema informático o tecnológico, sino también está en el centro del núcleo de la estrategia o supremacía militar y de la geo estrategia global de seguridad nacional de los estados más poderosos.
Conseguir Supremacía Cuántica
Por ello se están invirtiendo miles de millones en el intento de conseguir lo que se ha dado en llamar la 'supremacía o 'ventaja' cuántica' que es como se llama a la capacidad potencial de los dispositivos de computación cuántica para resolver problemas que los ordenadores de la informática de silicio clásicos prácticamente no pueden resolver.
Al frente de la carrera por el ordenador cuántico están sobre todo empresas como D-Wave Systems Inc. es una empresa canadiense de informática cuántica con sede en Burnaby, Canadá, que fue la primera empresa del mundo en vender ordenadores para explotar los efectos cuánticos en su funcionamiento. Entre los primeros clientes de D-Wave se encuentran el fabricante de aviones y sistemas de armamento Lockheed Martin, la Universidad del Sur de California, Google/NASA y el Laboratorio Nacional de Los Álamos.
Sin embargo, hay otras dos conocidas y poderosas empresas tecnológicas, IBM y Google, que además han transformado esta carrera por conseguir un ordenador cuántico funcional también en una guerra propagandística.
Google se anticipó ya en 2015 anunciando que tenía planes para demostrar la supremacía cuántica antes de finales de 2017 resolviendo este problema con una serie de 49 qubits superconductores. Pero, en octubre de 2017, IBM mostró una simulación de 56 qubits en un superordenador convencional, argumentando que el número de qubits necesarios para la supremacía cuántica debía ser mucho mayor del esperado hasta ese momento. La guerra de cifras ha sido incesante estos últimos años.
En noviembre de 2018, Google anunció una asociación con la NASA para "analizar los resultados de los circuitos cuánticos que se ejecutan en los procesadores cuánticos" de la tecnológica y "proporcionar comparaciones con la simulación clásica tanto para ayudar a validar su hardware como para establecer una línea de base para la supremacía cuántica".
El 21 de junio de 2019, Scientific American sugirió que la supremacía cuántica podría ocurrir en 2019, según la ley de Neven, –una observación realizada por Hartmut Neven, el Director del Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica, derivada de las observaciones del avance que esta tecnología que ha hecho hasta ahora–, y que afirma que "los ordenadores cuánticos mejorarán a un ritmo doblemente exponencial".
Si ello se cumpliera, la supremacía cuántica estaría a la vuelta de la esquina. El 20 de septiembre de 2019, el Financial Times publicó por primera vez que "Google afirma haber alcanzado la supremacía cuántica". Y el 23 de octubre de 2019, la revista Nature publicó que había conseguido alcanzarla, oficialmente, gracias a la publicación del Jefe científico de Computación Cuántica en Google Sergio Boixo y su equipo. Aunque esto no es seguro que sea así.
El último episodio de esta guerra tecnológico-propagandística acaba de ocurrir en 2022. El 9 de noviembre de 2022, en el marco de la Conferencia IBM Quantum Summit, presentó "Osprey", su procesador cuántico de 433 qubits, que triplica los 127 qubits del sistema predecesor, IBM Eagle, que presentó en 2021.
La empresa declara que está desarrollando ligadadas al proyecto "nuevas soluciones" para facilitar la adopción de la computación cuántica a las empresas. Según Darío Gil, vicepresidente senior y director de Investigación de IBM, estos ordenadores cuánticos, "se utilizarán para abordar problemas antes irresolubles, y sus cálculos cuánticos complejos van más allá de lo que cualquier ordenador clásico sería capaz de hacer".
Para dar una idea de lo complejo de la tecnología presentada, la empresa ha declarado que: "el número de bits clásicos que se necesitarían para representar un estado en el procesador IBM Osprey supera el número total de átomos del universo que conocemos". Eso en cuanto al hardware.
En cuanto al software, en paralelo a la presentación de Osprey, IBM ha lanzado una actualización beta de Qiskit Runtime, un software cuántico con el que busca simplificar la adopción de esta tecnología, abordando la corrección y la solución de errores. Según la empresa, esta actualización permite ya al usuario cambiar la velocidad por la "calidad" con una simple opción de su API.
Nadie quiere perder pie en esta carrera ni quedarse atrás y comienzan las alianzas de lo cuántico: IBM ha llegado a un acuerdo con Vodafone para explorar cómo aplicar la criptografía de seguridad cuántica de IBM en la infraestructura tecnológica de la empresa de telecomunicaciones.
Además, IBM ha explicado en esta presentación cómo está creciendo la expansión del ecosistema de clientes de su red cuántica, que crece con acuerdos con Bosch, el banco francés Crédit Mutuel Alliance Fédérate y el campus de innovación suizo uptownBasel.
El nuevo IBM Quantum System Two, una arquitectura que combina múltiples procesadores conectados entre sí en un único sistema, se ha anunciado como disponible a finales de 2023, y tiene la base de su supercomputación centrada en la informática cuántica para aumentar su capacidad total de cálculo, combinada un 'middleware' de nube híbrida para integrar y que convivan sin problemas los flujos de trabajo cuánticos y clásicos, basados en informática de silicio. Eso aceleraría el camino al Internet cuántico. Lo que dicen todos estos anuncios de estrategia propagandística, está por ver cómo funcionan y qué efectos tienen en el mundo real, la economía y las empresas.
ero hay más jugadores que se han sumado a esta carrera tecnológica y geoestratégica de la informática cuántica que no debemos olvidar. China también se ha sumado y está acelerando al máximo desarrollo tecnológico para intentar hacer el 'sorpasso' a las tecnologías cuánticas de Occidente.
La revista Physical Review Letters publicó en octubre de 2021 que dos equipos chinos del Laboratorio Nacional de Ciencias Físicas de Hefei, en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ambos dirigidos por el físico Jian-Wei Pan, –conocido por sus trabajos sobre el entrelazamiento cuántico–, afirman haber alcanzado la primacía con sus ordenadores cuánticos individuales mediante un enfoque fotónico para construir su ordenador, es decir, con un enfoque tecnológico distinto a Google y al de IBM.
Los investigadores chinos afirman haber construido un ordenador basado en superconductores capaz de calcular con 66 qubits, aunque sólo se utilizaron 56 de ellos. Aun así, declararon que la máquina era capaz de realizar cálculos de muestras hasta 1.000 veces más rápido que los mejores superordenadores, lo que, según declaran ellos, "demuestra que lograron la primacía".
Hago una observación importante al respecto. Estos experimentos chinos se alinean con un ambicioso objetivo de China mucho más pragmático. Más que una supremacía científica, el gigante asiático va e intentar conseguir, sobre todo su 'supremacía', en las distintas ingenierías ligadas a la informática cuántica, que van a definir el futuro de la humanidad: computación cuántica, inteligencia artificial, energía de fusión, exploración espacial y tecnología genética, pero también es su aspecto de aplicación militar, incluidas las tecnologías del 'hacking cuántico'. Y se están invirtiendo cantidades ingentes de dinero y recursos humanos e industriales en ello.
En cualquier caso, estamos aún en los albores de la construcción de un ordenador cuántico que funcione, lo cual ya está claro que es muy muy difícil, pero no imposible, como certifica el físico Ignacio Cirac, que sí tiene está convencido, como dije al principio, que podría llegar en "cinco, o quizá cincuenta años", cosa que aún "no sabemos". Que no lo sabemos aún, se confirma, a pesar de todo lo dicho. ¡Ah! y, en paralelo, ya hay otra carrera para conseguir el 'hacking cuántico', pero de eso hablaré aquí otro día.
