“Las aplicaciones más importantes de los ordenadores cuánticos están por descubrir”

El físico Juan Ignacio Cirac (Manresa, 1965) se licenció y doctoró en la Universidad Complutense de Madrid, ejerció de profesor en la Universidad de Castilla-La Mancha, investigó en la Universidad de Colorado (EE UU) y fue catedrático en la Universidad de Innsbruck (Austria).

Desde 2001, dirige la división teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica cerca de Múnich (Alemania), donde se ha convertido en un reconocido experto en física, computación y tecnologías cuánticas. Hablamos con él durante la conferencia Quantum Technologies In Europe, celebrada recientemente en Madrid.

¿Qué aporta la física cuántica a la computación cuántica?

La computación cuántica explota fenómenos extraordinarios de la física cuántica, como la superposición y el entrelazamiento, muy distintos a los que estamos acostumbrados a ver en los ordenadores usuales. Son efectos muy especiales, y se usan para que la computación cuántica pueda resolver y acelerar algunos problemas: resolverlos de una manera más rápida.

Recuérdenos qué es la superposición.

De acuerdo con la física cuántica, en el mundo microscópico, siempre y cuando esté bien aislado y no esté interaccionando con nada, un objeto puede tener una propiedad que no está definida, es decir, que puede estar, por ejemplo, ni a la derecha ni a la izquierda, sino en los dos sitios a la vez. Puede a lo mejor comportarse como un imán con un polo norte para arriba o para abajo, o las dos cosas a la vez. Esto es la superposición. Se requieren unas condiciones muy especiales para poner partículas en superposición, pero una vez que se consigue, y solo se logra en ese mundo microscópico cuando tenemos los objetos muy aislados, las podemos explotar y utilizar para procesar información en los ordenadores cuánticos.

Como el gato de Schrödinger...

Bueno, sí. Aunque las superposiciones existen en el mundo microscópico, Schrödinger quiso reflejar lo sorprendentes que son, tratando de extrapolarlas al mundo macroscópico, el mundo conocido donde vivimos. Entonces, podríamos tener un objeto, en este caso un gato, que estuviese en dos situaciones a la vez: vivo y muerto, mientras no lo observamos y esté aislado. Sin embargo, cuando lo observamos, queda vivo o muerto. Son simplemente superposiciones en el mundo macroscópico que no somos capaces de tener, porque no podemos aislar objetos tan grandes, pero sí en el mundo microscópico, donde desempeñan un papel fundamental en la computación cuántica.

Ilustración del gato de Schrödinger, que se encuentra en una superposición de dos estados (vivo y muerto) mientras este aislado y no lo observemos. / Adobe Stock

¿Y respecto al entrelazamiento?

Es lo mismo que la superposición, pero cuando hay dos o más objetos. En este caso, dan lugar a fenómenos muy especiales. Por ejemplo, podemos tener dos imanes que tengan el polo norte mirando para arriba, o bien para abajo, o tener las dos cosas a la vez. Llamamos un estado entrelazado cuando tenemos la superposición de estas dos situaciones. Eso quiere decir que si observamos uno de los imanes y vemos que tiene el polo norte hacia arriba, automáticamente, el segundo, esté donde esté, va a definirse esa propiedad, y también va a tener el polo norte mirando para arriba. Esta propiedad, que al principio llamó mucho la atención a los físicos, ahora la utilizamos de manera rutinaria tanto en ordenadores cuánticos como en comunicación cuántica.

¿Cuáles son las posibles aplicaciones de estos ordenadores cuánticos?

De momento conocemos algunas, pero probablemente las más importantes están todavía por descubrir, de la misma forma que cuando se construyeron los primeros ordenadores hace 80 años no se sabía para que los íbamos a utilizar. La aplicación más importante que conocemos de momento, donde los ordenadores cuánticos tienen mucha ventaja, es en el diseño de materiales –relacionados sobre todo con la conducción de electricidad– y de productos químicos, como los fármacos.

De momento, la aplicación más importante que conocemos de los ordenadores cuánticos es en el diseño de materiales y de productos químicos

También tienen el potencial de acelerar cálculos en procesos industriales de optimización, donde a menudo uno quiere sacar el máximo provecho con el mínimo gasto, así como en sistemas de inteligencia artificial. Luego también tendrá aplicaciones dentro de la criptografía: si tuviéramos hoy ordenadores cuánticos harían que todas nuestras comunicaciones actuales dejaran de ser seguras, porque podrían descifrar todos los mensajes secretos.

¿Cuántos cúbits o bits cuánticos debería tener ese ordenador?

Del orden de un millón de cúbits. Todavía estamos muy lejos para conseguirlo: faltan unos 10 años. Lo que ocurre es que si dentro de una década, nuestros competidores tuviesen un ordenador cuántico y fuese capaz de descodificar, no a partir de entonces, sino todos los mensajes que se han enviado en el pasado, entonces serían capaces de descifrar la información secreta que hoy se está enviando. Por tanto, a pesar de que no dispongamos de ellos, ya se está pensando cómo cambiar nuestros sistemas criptográficos para protegerlos de los ordenadores cuánticos que puedan venir.

¿Con criptografía también cuántica?

Eso es. La criptografía cuántica, que también estamos desarrollando, es capaz de enviar mensajes encriptados de manera que ni los propios ordenadores cuánticos los puedan descifrar. Es mucho más sencilla de construir, ya que solo se necesitan unos pocos cúbits y enviarlos por una fibra óptica. El problema actual es que solo lo logramos a distancias pequeñas, del orden de 50 km. Si quisiésemos conectar Madrid y Barcelona, por ejemplo, con un sistema criptográfico cuántico, tendríamos que utilizar satélites o buscar otras alternativas, que ya se están investigando.

La criptografía cuántica es capaz de enviar mensajes que ni los propios ordenadores cuánticos podrían descifrar, pero hasta ahora solo lo logramos a distancias pequeñas 

¿Ha comentado que los verdaderos ordenadores cuánticos, con muchos cúbits y sin errores, estarán disponibles en unos 10 años?

Hablamos de décadas, sí: una o dos décadas. Yo creo que en los próximos cinco años o así no los tendremos, por tanto, diría más de 10 años. No sé si van a ser 10 o 20, pero ese es el orden de magnitud. En cualquier caso, no van a llegar de un día para otro. No es que mañana tengamos los ordenadores cuánticos y, de repente, podamos hacer todo, sino que habrá un desarrollo en muchos pasos: algunos a corto y otros a más largo plazo. Sería una pena que por tener impaciencia, dejáramos de seguir investigando.

¿Cuáles son sus líneas actuales de investigación?

Estamos estudiando los ordenadores cuánticos hasta que sean escalables, o sea, cómo utilizarlos, a pesar de que no sean perfectos, para tener ventaja con respecto a los clásicos, y en particular en la simulación y resolución de problemas de física cuántica.

Por otro lado, estamos desarrollando redes de tensores, una técnica relativamente nueva. Los ordenadores cuánticos nos han enseñado muchas cosas y, entre ellas, también a utilizar ordenadores clásicos para resolver los problemas de una manera más eficiente, y esa forma de hacerlo son las redes de tensores. Trabajamos en su desarrollo desde el punto de vista matemático y aplicándolas a problemas para ir más allá de lo que hoy se puede hacer con los ordenadores clásicos o superordenadores.

Los computadores cuánticos también nos enseñan a utilizar los ordenadores clásicos para resolver problemas de una manera más eficiente, mediante redes de tensores 

¿Los lideres en computación cuántica son EE UU, con IBM y Google, y China?

La computación cuántica tiene varios aspectos importantes: la investigación fundamental, la búsqueda de aplicaciones, el software, el hardware... Esto último es lo más caro, con inversiones billonarias. Si hablamos de la construcción de ordenadores cuánticos, hay varias plataformas, y es verdad que en unas cuantas de ellas lideran EEUU y China, porque tienen una industria detrás muy potente –mira la inversión que hace IBM, por ejemplo–, algo de lo que carecemos en Europa.

Sin embargo, en otras plataformas, como la de los computadores cuánticos basados en átomos o iones, campos que son tan prometedores como todos los demás, Europa sí que está a la altura de los competidores americanos y chinos, y en algunos casos incluso por delante.

IBM Quantum System Two, el primer ordenador cuántico modular de la empresa. / Ryan Lavine for IBM

¿Actualmente quién tiene el récord del ordenador cuántico con más cúbits?

La potencia de un ordenador cuántico la puedes mirar por su número de cúbits, pero ahora puedes tener un millón y si no los puedes controlar no sirven para nada. También depende del tipo de tecnología. El número de cúbits no es el número fundamental, hay otros que son más importantes, como el ‘número de cúbits controlables’, es decir, que no tengan muchos errores.

El número de cúbits no es el número fundamental, hay otros que son más importantes, como el ‘número de cúbits controlables’, es decir, que no tengan muchos errores

IBM acaba de anunciar un computador cuántico con 1000 cúbits, aunque no son muy controlables. Los más controlables de esta empresa tienen del orden de 100 cúbits, y de un número parecido dispone Google. Ambas trabajan con la plataforma de cúbits superconductores. Este mismo año, la empresa QUERA (vinculada a la Universidad de Harvard y al MIT, el Instituto Tecnológico de Massachusetts) ha obtenido 400 cúbits bastante controlables, pero con la tecnología de átomos de Rydberg.

Luego, en Europa, tenemos otra de las tecnologías, más relacionada con la simulación cuántica, una especie de computación cuántica, con el orden de unos 1000 cúbits, que funcionan relativamente bien. Y otra de las tecnologías punteras es la de iones atrapados, donde se dispone de unos 30-50 cúbits, que usan empresas como AQT e IONQ (start-ups provenientes, respectivamente, de las universidades de Innsbruck en Austria y Duke en EE UU) y Quantinuum [fusión de la estadounidense Honeywell Quantum Solutions y la británica Cambridge Quantum]. Aunque tienen menos cúbits, están mejor controlados que los anteriores.

Tecnología cuántica de iones atrapados de la empresa europea Alpine Quantum Technologies (AQT). / ©AQT/D. Kühl

En el caso de Google, ¿qué quiso decir cuando anunció que había conseguido la supremacía cuántica?

Por supremacía cuántica entendemos el momento en el que un ordenador cuántico hace un cálculo de manera mucho más rápida que con un superordenador tradicional. Esto lo consiguió Google en 2019 al resolver un problema completamente académico, sin ninguna aplicación, preparado para el ordenador cuántico que tenían.

Después, mejoraron los ordenadores clásicos y llegaron a reproducir los datos de ese ordenador cuántico. La supremacía cuántica dura un tiempo. Sin embargo, ellos mismos y un grupo chino avanzaron todavía más y superaron a estos computadores clásicos.

En cualquier caso, hay que coger con pinzas lo que significa esto de conseguir la supremacía cuántica. No quiere decir que tengamos ordenadores cuánticos definitivos ni que podamos resolver con ellos problemas interesantes, sino, como decía, resolver un problema académico concreto mejor que con un superordenador.

¿Cuál es la situación de la computación cuántica en Europa?

Tenemos liderazgo en la parte científica: muchas de las ideas y experimentos fundamentales relacionados con las tecnologías cuánticas tuvieron lugar en Europa. Sin embargo, no tenemos la misma industria de otros países, como la de EE UU, o inversiones billonarias en este ámbito como las que hace el gobierno chino. En este sentido, la iniciativa europea Quantum Flagship es un apoyo extraordinario para, no solo mantener el nivel en la parte científica, sino hacer la conexión con la industria, y que podamos competir al máximo nivel.

¿Y la posición de España?

Existen varias iniciativas para utilizar y construir ordenadores cuánticos, como hacen otros países de la UE. Quizá nos falta un poco coger el carro de la construcción propia, no solo de comprarlos a otras empresas europeas, pero ahí está el programa Quantum Spain para, entre otros objetivos, ponernos al día en este tema y alcanzar a nuestros compañeros europeos.