Llegan los algoritmos imposibles

La computación cuántica está a punto de dar el salto tecnológico más importante desde la invención de los ordenadores

Enrique Solano es profesor Ikerbasque en el Departamento de Química Física de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), además de director de uno de los más importantes centros de investigación mundiales sobre computación cuántica, Quantum Technologies for Information Science (QUTIS), de la misma universidad.

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Hace pocos meses, Science afirmaba que 2017 será probablemente el año en el que las computadoras cuánticas estarán listas para salir del laboratorio. ¿Estamos realmente a las puertas de una revolución informática, de la revolución de la computación cuántica?

Éste es el titular de los grandes medios científicos que reflejan el optimismo de la comunidad científica y tecnológica, basado en un convencimiento -que no existía hace 2-3 años- de que las tecnologías cuánticas van dar un avance importante, que vale la pena invertir en ellas. Yo diría que 2017 va a ser un año especial, como lo fue el año pasado y lo será el próximo. Pero de momento no está sucediendo -aunque estamos trabajando en eso- ningún salto conceptual o técnico con el que podamos afirmar que la supremacía cuántica va a llegar justo este año. Desde luego hay un enorme interés, por parte de los laboratorios y de las grandes empresas que nos financian, y hay una gran carrera y una gran competencia. A nivel europeo hay una inversión de 1.000 millones de euros para promover las tecnologías cuánticas. Hay una voluntad y un convencimiento de que estamos cerca, pero si uno pregunta a los laboratorios «cuanto de cerca» y «para resolver qué», sólo se responde con optimismo, pero las ideas ganadoras están por desarrollarse.

Su grupo QUTIS en la UPV/EHU es un think tank teórico y creativo en tecnologías cuánticas que, en colaboración con los laboratorio de Google y otras empresas tecnológicas e instituciones científicas, explora una forma de computación cuántica que aprovecha la superconductividad. Uno de sus objetivos es conseguir lo que se conoce como «supremacía cuántica» sobre la computación clásica. ¿En qué consiste?

La definición es bastante simple. En el momento en el que en un cierto laboratorio -este año o el que viene- un experimento produzca un procesamiento de información mediante computación cuántica, un cómputo utilizando la física cuántica, que no pueda ser realizado mediante ningún superordenador existente en el planeta -ni siquiera por todos ellos juntos- en ese momento habremos logrado la supremacía cuántica. Este objetivo, que se está buscando ahora en los laboratorios, no va a tener ninguna utilidad inmediata de forma práctica. Es como una apuesta con la computación clásica, en el momento en el que lleguemos hemos ganado. Es decir «podemos hacer algo que ningún superordenador convencional puede ni podrá». En ese momento podremos afirmar que esa tecnología existe, que es superior y empezaremos a buscarle utilidades.

No podemos decir que en cuanto esté la supremacía cuántica vaya a resolver un problema de diseño aerodinámico, o de nuevos compuestos químicos o nuevos materiales, o resolver problemas de física fundamental, o inteligencia artificial. Resolver eso no está listo ni siquiera a nivel conceptual, hace falta mucho desarrollo. Grupos como el mío intentan iniciar eso, cuáles son las ideas centrales mediante las cuales la computación y la simulación cuánticas van a poder contribuir a resolver problemas prácticos. De entrada, la tecnología cuántica va a nacer siendo «inútil» y luego dejará de serlo.

Las aplicaciones de esta tecnología son realmente inmensas. ¿Cuáles son, a su juicio, las que más impacto práctico pueden tener para el progreso y bienestar de la humanidad?

De nuevo aquí nos separamos entre el interés puramente académico por decir «podemos crear un cómputo increíblemente veloz y poderoso», y la pregunta de «para qué es útil esto». Por ejemplo, con las tecnologías cuánticas se podrían ahorrar gastos billonarios en investigación, sobretodo con las simulaciones cuánticas. Se trata de lograr modelos informáticos que imitan las leyes de la física. Podemos hacer modelos que imiten materiales o moléculas químicas, o incluso imitar colisiones de partículas en los aceleradores. Hay un interés puramente académico de utilizar los ordenadores cuánticos para producir conocimiento nuevo, para comprender mejor el universo y resolver problemas muy complejos de los materiales, la química, la medicina o física de altas energías.

Y luego hay un lado aplicado, en el que nosotros trabajamos. Las aplicaciones son por ejemplo el diseño de nuevos compuestos químicos, que podrían generar nuevas medicinas. Las industrias químicas y farmacéuticas trabajan a un nivel muy avanzado, pero todavía «a ciegas». Los superordenadores actuales pueden «idear» muchas moléculas complejas y sus variantes, pero no pueden calcular de antemano sus propiedades. Muchos experimentos se hacen por ensayo-error a ciegas, probando de miles de variantes cuáles funcionan mejor para un uso. La simulación cuántica permitirá predecir y calcular con precisión -sin necesidad de hacer experimentos- las propiedades de esas moléculas complejas. Y lo mismo con los materiales, o con las partículas en los aceleradores. Se podría hacer un acelerador de partículas virtual con la computación y la simulación cuántica. Hay trabajos de mi grupo acerca de cómo imitar las colisiones de las partículas. Bromeando, cuando me dicen ¿cuál es tu objetivo?, a veces les digo «jubilar el CERN». Eso podría abaratar los costos, y multiplicar la cantidad de exoerimentos y aceleradores virtuales. Dicho de forma pedagógica: se hacen colisiones en el CERN o test de explosiones nucleares porque no se pueden calcular sus resultados.

¿Incluso para la cosmología?

Si, exactamente. Las simulaciones cuánticas para la cosmología tienen que ver con la mecánica de fluidos. Hay modelos cosmológicos que tiene que ser tratados con grandes ecuaciones diferenciales, complejas, similares a las de los fluidos. Existen los túneles de viento para los flujos aerodinámicos justamente porque es muy difícil calcular el movimiento de los fluidos. Simular el movimiento del agua o de los gases en 3D es algo casi imposible para los superordenadores. Y para la cosmología pasa igual: predecir el comportamiento de las explosiones de las estrellas o del movimiento de las galaxias o los cúmulos requiere una capacidad computacional que está fuera del alcance de la computación clásica. La simulación cuántica podría ser clave para resolver problemas complejos de astrofísica y cosmología.

Otra de las aplicaciones en las que está trabajando mi grupo tiene que ver con la tecnología de la información y el reconocimiento de imágenes, la biométrica cuántica, que permitiría estudiar problemas de la medicina o del cuerpo humano de forma más precisa. Para un ordenador es un problema muy complejo reconocer si una imagen es un ser humano o un perro de peluche, o si la cara de una persona es una imitación o no, de extraer lo relevante de los detalles de la imagen. El reconocimiento de imágenes o el de autoaprendizaje de máquinas son muy complejos hoy en día, y con la computación cuántica se podrán superar.

En QUTIS, ustedes realizan investigación básica teórica de vanguardia sobre física cuántica, pero totalmente intrincada con otros campos aplicados como la óptica cuántica, la información cuántica, los circuitos superconductores o la biomimética cuántica. ¿No es un ejemplo de la importancia fundamental de la investigación básica, de cómo es el sustrato esencial para dar saltos tecnológicos?

Sin ninguna duda. Yo me formé primero en ingeniería, y la dejé a medio cuando era más rebelde, porque decía «yo quiero hacer cosas inútiles». Tenía tanta pasión por el conocimiento y por los fundamentos que la gente me decía «eso no sirve para nada», «lo que sirve es la ingeniería, la utilidad, lo aplicado». Yo tenía un poco el interés del artista, del poeta, del investigador puro. Y me he sorprendido agradablemente al ver que el interés por los fundamentos, que he transmitido a mi grupo, a mis estudiantes e investigadores… se ha ido transformando en cosas que podrían marcar a la sociedad. Y se disfruta, porque la curiosidad profunda y sincera, la que mueve ese virus que es el conocer, el crear, el descubrir… inevitablemente acaba siendo útil como se ha demostrado en la Historia de la Ciencia.