La tecnología de la computación cuántica busca solucionar problemas que las computadoras clásicas no pueden abordar eficazmente. En un mundo cambiante como el nuestro, los retos son cada vez más complejos y precisan de una gran capacidad de procesamiento de datos. El investigador del Instituto de Física de Altas Energía habla con SINC sobre el futuro de la cuántica y su impacto energético.
El grupo de investigación que dirige Pol Forn-Díaz en el Instituto de Física de Altas Energía (IFAE) en Barcelona desarrolla tecnología de superconductores para la computación cuántica: circuitos que hay que fabricar en entornos típicos de microelectrónica y nanoelectrónica, es decir, salas blancas. Estos circuitos tienen que ponerse en condiciones de muy baja temperatura para poder controlar su estado cuántico.
Son un grupo pequeño de investigación básica, que busca cómo mejorar la calidad de estos circuitos. Trabajan en diseños alternativos a los que se vayan a utilizar convencionalmente, para encontrar nuevas funcionalidades. “La tecnología de la computación cuántica está avanzando mucho, pero aún requiere de desarrollos fundamentales para la mejora de la calidad de los bits cuánticos. Los cúbits, que al final es lo que dicta la calidad del procesador, requieren estudiar materiales y nuevas técnicas de control de medida. En eso estamos trabajamos en el IFAE”, explica desde su laboratorio de la ciudad condal.
La tecnología de la computación cuántica está avanzando mucho, pero aún requiere de desarrollos fundamentales para la mejora de la calidad de los bits cuánticos
Forn-Díaz es, además, uno de los cinco fundadores de una empresa pionera en Europa: Qilimanjaro Quantum Tech, una spin-off de la Universidad de Barcelona, el Barcelona Supercomputing Center y el IFAE, que trabaja para la construcción de ordenadores cuánticos comerciales. Hablamos con él sobre la evolución de este campo de investigación, el desarrollo de la tecnología asociada y su impacto ambiental.
¿Qué tipo de energía utiliza principalmente este tipo de tecnología?
Requiere, por un lado, refrigeración criogénica, que tiene un impacto energético, ya que es necesario mantener estos circuitos a muy bajas temperaturas. Después, para para hacer el control de los de los circuitos, utilizamos básicamente señales que están en el rango de las microondas, o sea, de los gigahercios, pero con muy bajas potencias y con un impacto energético menor.
¿Qué es lo que más consume?
Por un lado, mantener el sistema frío y, evidentemente, también la producción del chip, porque se tiene que realizar utilizando toda la maquinaria de salas blancas, con el consiguiente coste e impacto ambiental.
¿Será menor el consumo energético de los computadores cuánticos si se los compara con los superordenadores clásicos?
Aquí hay que hacer una advertencia, porque si buscas en la literatura científica o las noticias al respecto, vas a encontrar de todo. Hablamos de algo que va a ocurrir en el futuro, ya que hoy los prototipos de ordenador cuántico que existen, los más grandes, tienen entre 100 y 1 000 cúbits. Y esto utilizando métodos no muy optimizados de cómo poner todos estos cúbits dentro de un criostato, es decir, con todos los cables y toda la electrónica. Esto solo lo han podido hacer IBM y Google, y un equipo en China. A medida que se va alcanzando un nuevo número de cúbits, también se va rediseñando el sistema y se va optimizando.
¿Cuál es la previsión teniendo en cuenta todas estas variables?
Se prevé que sí van a ser mucho más eficientes energéticamente que los centros de supercomputación o computación de alto rendimiento (HPCS). Actualmente, los ordenadores cuánticos se cree que van a ser como un nuevo tipo de acelerador de computación. En los centros de supercomputación existen procesadores con CPU y con GPU. Las GPU son las unidades de procesamiento gráfico que ahora se utilizan para inteligencia artificial. En los procesadores cuánticos estaríamos hablando de QPU (Unidad de Procesamiento Cuántico, por sus siglas en inglés), que va a ser más eficiente para ciertos cálculos, pero no se van a encargar de hacerlo todo, porque para eso ya están los ordenadores tradicionales.
De ahí que sean más eficientes
Serán un complemento para atacar ciertos problemas matemáticos, que hoy no se pueden tratar. Esa es la idea, que estas unidades de procesamiento cuánticas no tengan un consumo muy grande. No disipas calor en el chip, porque la superconductividad te permite procesar señales eléctricas sin disipar energía.
¿Qué es lo que ocurre en el caso de los superordenadores?
En los circuitos eléctricos habituales, la energía se transforma de una señal eléctrica en calor, que es lo que ocurre en los transistores de los procesadores tradicionales, como nuestros teléfonos, portátiles y superordenadores. Se calientan porque están gastando la energía eléctrica en calor y, en los superordenadores, una parte muy importante de la energía se va en enfriarlos a 40 ºC, porque si no se quemarían. La otra parte se va en ponerlos en marcha. La tecnología de enfriamiento va avanzando según la demanda.
Mucha de la energía va dedicada a enfriarlos y la otra parte en ponerlos en marcha. La tecnología de enfriamiento va avanzando según la demanda
¿Qué otras tecnologías se utilizan para minimizar su consumo?
Están empezando a aparecer modelos de criostatos cada vez más pequeñitos y adaptados a la demanda real de estos ordenadores cuánticos. En el futuro es posible que no requieran de equipos muy grandes, algo que también ocurre con los superordenadores. No estoy trabajando en el campo de estos últimos, pero sí se escucha que los nuevos diseños van encarados a optimizar el gasto energético, que no parece que sea algo fácil.
Con los ordenadores cuánticos la idea es que ya entren con otro nivel de consumo y con gran ahorro energético. Hay gente que habla de la ventaja cuántica en este sentido o de la ‘supremacía cuántica’.
¿Y respecto a los materiales y los procesos de extracción asociados?
Los superconductores no requieren materiales muy especiales. De hecho, se han hecho de aluminio, que es un material que se encuentra muy fácilmente.
De sustratos se utilizan típicamente silicio o zafiro, que son también materiales industriales. No requieren de una minería muy específica como el litio o el cobalto que se utilizan en baterías. Si alguien descubre que incluyendo otro material mejoran, la cosa cambiaría, pero dudo que sea así. Hoy nada apunta a que eso vaya a ocurrir.
Los superconductores no requieren materiales muy especiales. De hecho, se han hecho de aluminio, que se encuentra muy fácilmente
¿Los cálculos cuánticos podrían aportar soluciones respecto a los desafíos climáticos y medioambientales del futuro?
La respuesta genérica sería que sí, que van a aportar ventajas. Podrán resolver problemas matemáticos de cierto tipo, como los que se llaman de optimización. El ejemplo típico se hace con los repartidores de paquetes. Tienen que ir a de un punto a otro y optimizar para no gastar mucho combustible, además de forma continua, porque durante el día van llegando nuevos paquetes. Esto requiere un potencial de cálculo importante. Pero depende mucho de cada problema. Es caso a caso y es muy difícil dar una receta global.
¿Pasa lo mismo con los procesos químicos?
Este es un problema cuántico en sí. Es decir, podrías calcular en un orden cuántico, de los que no existen por ahora, la evolución de un sistema y hacer predicciones. Si existe este gas y este otro, me sale este resultado final. Puede tener impacto en baterías o captura de CO2.
También es aplicable al caso de los abonos y la absorción del nitrógeno, que actualmente supone un proceso que requiere temperaturas muy elevadas. Tiene el potencial de descubrir este tipo de nuevos procesos, que puedan hacerse de forma más eficiente.
Si nos referimos a un ordenador cuántico pequeño, de hasta 1 000 cúbits, gastará unos 10 kW al día, lo mismo que tres o cuatro familias
¿Existen algoritmos cuánticos que hayan demostrado estas ventajas?
Se trataría de utilizar el ordenador cuántico como un simulador cuántico. Depende mucho de cómo de bien puedas simular tu sistema y modelizarlo para que te dé el resultado esperado. Ahí está menos definido. Lo que sí está demostrado es que un ordenador cuántico puede emular un sistema físico real.
¿Se trabajará en medir el impacto ambiental que tendrán?
Estoy seguro de que sí cuando existan, porque ahora mismo estamos hablando de prototipos. Si nos referimos a un ordenador cuántico pequeño, de hasta 1 000 cúbits, gastará unos 10 kW al día, lo mismo que tres o cuatro familias. En el caso de los superordenadores hablamos de consumo en megavatios, y eso ya es lo que gasta un pueblo o una ciudad pequeña. En el equipo de Qilimanjaro se ha hecho un documento técnico a este respecto.
¿Es comparable con la IA?
Los cálculos que se pueden hacer ahora mismo con ChatGPT están aún muy lejos de lo que podrían hacer los ordenadores cuánticos. De momento no son comparables, pero sí en el futuro, cuando vayan apareciendo máquinas cuánticas que estén dando un servicio útil, es decir, que ya tengan un tamaño grande. Vaticino que esto podría ocurrir en diez años o incluso antes.
He visto que colaboran con el laboratorio subterráneo de Canfranc para investigar la radiación. ¿En qué consiste?
Es una colaboración académica con el IFAE de un proyecto nacional que coordinamos. Estudiamos concretamente el impacto de la radiación ionizante, es decir, la radioactividad ambiental que tenemos en nuestro entorno. No nos afecta directamente porque es de muy baja la intensidad, pero sí a estos chips, que son tan sensibles que detectan todo lo que ocurre a su alrededor.
Cada vez que pasa un rayo altamente energético o una partícula energética —incluso rayos cósmicos que se originan en el espacio— y entran en la atmósfera, se van desintegrando. Lo que aterriza en la superficie son partículas que van muy deprisa, pero que se pueden ver. En este proyecto estudiamos este fenómeno con el Canfranc porque está dentro de una montaña, que hace de barrera para parar estos rayos cósmicos.
Estudiamos concretamente el impacto de la radiación ionizante, es decir, la radioactividad ambiental que tenemos en nuestro entorno. No nos afecta directamente porque es de muy baja la intensidad, pero sí a estos chips
¿Tiene alguna aplicación?
Lo utilizan sobre todo la gente del mundo de la física de partículas para hacer experimentos que buscan materia oscura y que tienen una señal muy débil y no pueden tener ningún tipo de ruido ambiental. A nosotros nos interesa examinar cómo se comportan estos chips en ausencia de esta radiación ambiental.
¿Existe algún impedimento que pudiese detener el desarrollo de los computadores cuánticos?
No hay nada que permita pensar que esto se va a detener, porque no hay ninguna barrera para esta tecnología en concreto. En el momento en que entren en uso y estén, por ejemplo, en la nube para poder conectarse, seguro que va a haber estudios de impacto energético concretos.
¿Cuándo se convertirán en una herramienta realmente útil?
Hoy en día se han demostrado algunos cálculos con ordenadores cuánticos, como los de Google, que superan a los superordenadores, pero son problemas muy académicos y específicos donde los ordenadores cuánticos tienen ventaja de salida y estos algoritmos no tienen ninguna utilidad práctica, que se sepa. El reto es que puedas hacer algo útil, que significa atacar problemas reales del mundo, que son enormes y requieren de máquinas muy grandes.
Se van a necesitar centenares de miles de cúbits. La predicción es que en los próximos cinco años se va a llegar a las decenas de miles y es probable que ya existan máquinas en 2030 de 10 000 cúbits. Tendrán potencial de cálculo, aún no suficiente para resolver cualquier problema, pero sí para para hacer cosas interesantes posiblemente útiles.
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