La revolución del ordenador cuántico
Cuando estén desarrollados, estos ingenios sobrepasarán con mucho el poder de cálculo de los superordenadores actuales y permitirán resolver problemas hoy inabordables.
Si se quisieran romper todos los códigos de seguridad cifrados y predecir con exactitud el tiempo o la siguiente catástrofe natural, se necesitaría una máquina portentosa, con una capacidad para analizar datos muchísimo mayor que la de los superordenadores actuales más potentes. Este ingenio no es un producto de la fantasía o la ciencia ficción. Se conoce como ordenador cuántico y, de hecho, la compañía canadiense DWave Systems ya lo comercializa. O eso afirman sus responsables. De momento, Google y la NASA ya poseen unos prototipos que han puesto a trabajar. Hartmut Neven, director de Ingeniería del gigante de las búsquedas en la Red, asegura en su blog que un ordenador cuántico les permitirá “construir mejores modelos del mundo para hacer predicciones más afinadas”. Y añade: “Si queremos curar enfermedades, necesitamos conocer a fondo cómo se desarrollan”. No cuentes con que uno de estos aparatos acabe pronto sobre tu escritorio, pero todo apunta a que nos acercamos a una nueva era de la computación. Sin embargo, en la física cuántica nada es lo que parece.
Para empezar, muy pocos expertos consideran que los dispositivos de D-Wave Systems sean realmente cuánticos. Scott Aaronson, profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencia Computacional en el MIT, uno de los más reputados investigadores en este campo, se mostró tajan- te en unas declaraciones para MUY: “Mi opinión sobre la relevancia de esta máquina es que no es nada relevante”. Es más, está convencido de que el ordenador cuántico está por inventar: “Se trata de un objetivo extremadamente excitante al que aspiran muchos grupos de investigación en todo el mundo. Y puede que alguno lo logre”. Y remacha: “D-Wave tiene un largo historial de anuncios a la prensa dudosos y muy exagerados”.
Una supermoto incapaz de adelantar a una vespino
Aaronson nos contaba esto antes de que este mismo año se publicara en la revista Nature Physics un estudio que deja entrever que estas computadoras podrían aprovechar algunas características cuánticas, pero con un resultado bastante decepcionante, pues procesan la información prácticamente al mismo ritmo que los ordenadores convencionales. Es como tener una motocicleta con el motor más avanzado e innovador del mundo, pero que no es capaz de adelantar a la vespino de toda la vida. ¿Acaso nos encontramos ante la enésima tomadura de pelo tecnológica? ¿No se tratará de otra revolucionaria invención capaz de cambiarlo todo que se queda en nada? Pues bien, existen muchas razones para pensar que lo que los expertos en compu-
tación cuántica tienen entre manos es muy prometedor.
Tal como nos aclara John Calsamiglia, físico del Grupo de Información y Fenómenos Cuánticos de la Universidad Autónoma de Barcelona, hay que distinguir entre la teoría de la computación y la realización física de los ordenadores. Antes de que se construyera la primera computadora clásica, con sus tuercas, tornillos y válvulas, ya se sabía alguna de las cosas que sería capaz de hacer. Y por muy diferentes que sean entre sí estas máquinas, todas siguen el modelo propuesto por Alan Turing, que requiere básicamente un procesador y una cinta donde entra la información. Esta se almacena y se procesa de forma binaria en bits, que pueden presentar los estados 0 o 1. Las puertas lógicas y los transistores se encargan de transformar las ristras de ceros y unos en otras con el fin de obtener el resultado deseado. Los componentes han cambiado en las últimas décadas –eso sí, con la constante de que los procesadores son cada vez más pequeños y rápidos–, pero su principio básico no ha variado desde que se presentaran el ENIAC, en 1946, que pesaba 27 toneladas, o el Colossus (1943), del tamaño de un salón. “La computación cuántica supone un cambio de modelo”, continúa Calsamiglia. “En este sistema –continúa– ya no tenemos bits, sino qubits o bits cuánticos”.
Máquinas que para calcular utilizan átomos en vez de circuitos
En esencia, en lugar de escoger entre 0 y 1, el qubit permite superponer ambos estados y realizar múltiples cálculos simultáneamente. Uniendo qubits, la potencia se multiplica, desatando un poder descomunal. Esta es la clave de la máquina total que ya en la década de los 80 entrevió Richard Feynman, uno de los pioneros de la computación cuántica. De la misma manera que en el siglo XIX la matemática londinense Ada Lovelace creó el primer algoritmo un siglo antes de que se construyera el ordenador –se la considera la primera programadora de la historia–, el profesor del MIT Peter Shor ideó hace veinte años en los Laboratorios Bell un algoritmo basado en qubits que explica cómo un ordenador cuántico puede descomponer números en sus factores primos. La cuestión es que lo haría de forma incomparablemente más rápida que un ordenador convencional. El denomi- nado algoritmo de Shor, demostrado por investigadores de IBM en 2001, es la prueba de que tiene mucho sentido lanzarse a la aventura de construir un ordenador cuántico. El prototipo de IBM usaba 7 qubits y era capaz de descomponer el número 15 en los factores 3 y 5. Es una hazaña al alcance de cualquier niño de primaria, pero lo que resulta asombroso es que el trabajo no fue realizado por circuitos, sino por un puñado de átomos. Es como enseñarles a que cuenten por nosotros.
Pero es que existe una razón más prosaica que justifica el interés mostrado en este campo: “¿Qué pasaría si al tener transistores cada vez con menos átomos se llega a un punto en que los efectos cuánticos hay que tenerlos en cuenta?”. Esta pregunta nos la plantea Emili Bagán, líder del citado Grupo de Información y Fenómenos Cuánticos, para señalar que el progreso de las computadoras clásicas se puede encontrar con límites infranqueables. “En
algún momento, el transistor dejará de funcionar como tal. Esto se podría considerar una limitación, pero nosotros lo vemos desde otra perspectiva”. ¿Serán los fenómenos cuánticos una barrera, o más bien están cargados de futuro?
Nuestro mundo cotidiano se rige por leyes clásicas, en las que dadas determinadas condiciones se pueden predecir fenómenos con notable precisión. Pero desde principios del siglo XX se sabe que estas no funcionan cuando se aplican al estudio de las partículas subatómicas. La física cuántica es la teoría que se aplica allí donde fracasa la física clásica. La ciencia quiere hacerle un traje a medida a la realidad, pero de momento nos tenemos que conformar con estos dos parches –el clásico y el cuántico–, y además mal zurcidos. Y es que, cuanto más se penetra en el interior de la materia, no solo las leyes clásicas resultan inservibles, sino que por añadidura emergen fenómenos completamente inexplicables. so, serían dos partículas–, al separarse se mantienen correlacionados, como si entre ellos se estableciera un vínculo invisible que desafía cualquier distancia. Si establecemos que una de esas supuestas peonzas gira en una dirección, esto significaría que su peonza entrelazada estaría girando necesariamente justo en la dirección contraria. De este modo, el hecho de medir una de las partículas arrojaría información inmediata sobre la otra, por lejos que se encontrase. Este es el tipo de fenómenos que hace imposible que los actuales transistores puedan seguir funcionando normalmente a partir de un determinado punto de miniaturización. Al final, es tanto un escollo como una oportunidad tecnológica.
Ninguno de los extraordinarios procesos cuánticos se puede observar directamente en nuestro día a día. Como si fuesen burbujas de jabón que estallan al tocar contra cualquier objeto, desaparecen cuando entran en contacto con otros átomos o partículas. Esto se conoce como decoherencia. Si nuestra peonza en superposición interaccionara con otro sistema, se desvanecería dicha superposición y en su lugar aparecería girando en una cualquiera de las dos direcciones. No solo es algo inexplicable, sino también extremadamente frágil. La realidad cotidiana es lo que queda cuando toda la magia cuántica se ha desvanecido. El enemigo del ordenador cuántico es, por tanto, la vida misma, tal como nos explica el físico Adán Cabello, que preside el Grupo Especializado de Información Cuántica de la Real Sociedad Española de Física, en conversación telefónica: “Los fenómenos genuinamente cuánticos en los que tra-
LOS EXPERTOS ASEGURAN QUE CON ORDENADORES CUÁNTICOS NADIE PODRÍA ESPIAR NUESTROS MENSAJES
Las partículas funcionan como una peonza superpuesta y entrelazada
Así, nos encontramos, por ejemplo, con la superposición, un fenómeno por el que una partícula puede estar en dos estados diferentes a la vez. Si en lugar de partículas habláramos de una peonza, esta se encontraría girando en una dirección y simultáneamente también en la otra, teniendo en cuenta, como puntualiza Emili Bagán, que el eje de giro puede ser cualquiera. Otra característica asombrosa a esta escala es el entrelazamiento: cuando dos sistemas entran en contacto –en este ca- bajamos requieren unas condiciones J de laboratorio, como frío, vacío o aislamiento de todo tipo de perturbaciones del exterior, que son absolutamente atípicas en la naturaleza”. Ramón Muñoz-Tapia, otro miembro del Grupo de Información y Fenómenos Cuánticos con el que hemos tenido ocasión de hablar, matiza lo siguiente: “Cuando se descubrió el transistor, de repente se vio con claridad que se había resuelto un aspecto decisivo. Se había dado un salto. Mi sensación es que falta algún sistema semejante al transistor que permita dar ese salto definitivo en el ordenador cuántico”. Pero lo cierto es que puede que ya se estén dando los pasos en la dirección correcta.
En estos sistemas, los fotones juegan un papel decisivo
En abril de este mismo año, investigadores de la Universidad de Harvard y del Instituto Max Planck anunciaban independientemente que habían desarrollado lo que podría constituir el equivalente cuántico del transistor. El grupo alemán ha logrado diseñar una cavidad óptica que contiene un átomo. En función de su estado –el spin up y el spin down–, los fotones incidentes en la cavidad o bien resuenan, lo que produce un desplazamiento de su longitud de onda, o bien simplemente rebotan. Esta interacción átomo-fotón permite que el estado del átomo controle el flujo de fotones, una operación que se parece mucho a lo que hace el transistor con la electricidad. Por su parte, los expertos de Harvard crearon unos interruptores cuánticos que pueden activarse o desactivarse con un único fotón. Estos expertos dejan entrever que, en el futuro, el avance permitirá establecer comunicaciones totalmente seguras.
El pasado marzo también se anunciaba otro gran descubrimiento, esta vez realizado por científicos de la Universidad Autónoma de Barcelona liderados por los físicos teóricos Mario Krenn y Anton Zeilinger. Mientras que solo se han logrado entrelazar catorce partículas para obtener qubits, estos investigadores han mostrado que con dos fotones entrelazados se obtienen 103 dimensiones, que son el resultado de la superposición de sus diferentes estados. Esta estrategia puede dar lugar a una nueva forma de abordar el problema que supone incrementar el número de qubits. Aún no está claro cómo diseñar aplicaciones para estos equipos
¿Cuándo dispondremos de ordenadores cuánticos universales capaces de realizar distintas tareas? Es bastante difícil de decir. Para empezar, los algoritmos aplicables a ordenadores cuánticos, como el mencionado de Shor, se pueden contar con los dedos de una mano, de modo que el abanico de utilidades es sumamente reducido. Aun así, podrían tener un gran poder transformador en diversos campos, especialmente en las comunicaciones. Por otra parte, se pueden presentar problemas técnicos que hoy parecen insuperables, como que no se logren alcanzar los mil qubits, cifra necesaria para tener un ordenador cuántico según el físico Vlatko Vedral, al que entrevistamos en este mismo artículo. Otra opción que apuntaba Calsamiglia pasa por integrar en los ordenadores convencionales componentes que funcionen aprovechando fenómenos cuánticos. De cualquier modo, este campo dará que hablar, y mucho, en los próximos años.