Dentro de un pequeño laboratorio en la bella campiña que hay a unos 80 kilómetros al norte de Nueva York (EE. UU.), hay una maraña de tubos y productos electrónicos colgados del techo. Pero este revoltijo de componentes en realidad son un ordenador. Pero no uno cualquiera, ya que esta máquina está a punto de superar lo que tal vez sea uno de los hitos más importantes de la historia de la computación.

Los ordenadores cuánticos prometen realizar cálculos imposibles para cualquier superordenador convencional. Estas máquinas podrían revolucionar el descubrimiento de nuevos materiales al permitir hacer simulaciones del comportamiento de la materia a nivel atómico. También podrían desafiar la criptografía y la ciberseguridad que conocemos gracias a su capacidad de descifrar códigos indescifrables mediante cualquier otra tecnología. Incluso hay quien cree que mejorarán la inteligencia artificial (IA) al procesar los datos de manera más eficiente.

Tras décadas de progresos graduales, los investigadores por fin están cerca de construir ordenadores cuánticos con capacidad suficiente para realizar procesos que los ordenadores convencionales no pueden hacer. Este punto de referencia se ha denominado, con algo de treatralidad, como "supremacía cuántica". Google liderado el camino hacia este objetivo, aunque Intel y Microsoft también han hecho importantes avances cuánticos; y no nos olvidemos de las start-ups que recibieron una buena financiación como Rigetti Computing, IonQ y Quantum Circuits.

"¡La naturaleza es cuántica, maldita sea! Así que si queremos simularla, necesitamos un ordenador cuántico".

Pero ningún otro competidor puede compararse con IBM. Cuando la empresa empezó a trabajar en ordenadores, logró algunos avances en la ciencia de los materiales que sentarían las bases de la revolución informática. Por eso el pasado mes de octubre fui al Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM para encontrar una respuesta a estas preguntas: ¿para qué sirve un ordenador cuántico? Y, ¿se puede construir uno que sea práctico y seguro?

Por qué necesitamos un ordenador cuántico

El Centro de Investigación de IBM se parece un poco a un platillo volante. Fue diseñado por el arquitecto neofuturista Eero Saarinen y se construyó durante el apogeo de IBM como fabricante de grandes ordenadores centrales para empresas. IBM era la compañía informática más grande del mundo y, tras la construcción del centro de investigación, solo tardó una década en convertirse en la quinta empresa más grande del mundo de cualquier tipo, justo detrás de Ford y General Electric.

Aunque los pasillos del edificio miran hacia la campiña, ninguna de las oficinas interiores tiene ventanas. Fue en una de estas habitaciones enclaustradas donde conocí a Charles Bennett. Ahora, a sus 70 años, Bennett tiene grandes patillas blancas, usa calcetines negros con sandalias e incluso tiene un protector de bolsillo con bolígrafos. Rodeado de viejos monitores de ordenador, modelos químicos y, curiosamente, una pequeña bola de discoteca, Bennett recuerda el nacimiento de la computación cuántica como si fuera ayer.

Foto: Charles Bennett de IBM Research es uno de los padres fundadores de la teoría de la información cuántica. Su trabajo en IBM ayudó a crear una base teórica para la computación cuántica. Crédito: Bartek Sadowski.

Cuando Bennett se unió a IBM en 1972, la física cuántica ya tenía medio siglo de antigüedad, pero la informática aún dependía de la física clásica y de la teoría matemática de la información que Claude Shannon había desarrollado en el MIT (EE. UU.) en la década de 1950. Fue Shannon quien definió la cantidad de información bajo el concepto de los "bits" (un término que popularizó pero no acuñó) necesarios para almacenarla. Esos bits, los ceros y unos del código binario, son la base de toda la informática convencional.

Un año después de llegar al centro, Bennett ayudó a sentar las bases de una teoría de la información cuántica que revolucionaría todo, que consiste en explotar el comportamiento exótico que los objetos presentan a escala atómica. En ese tamaño, una partícula puede existir en "superposición" de muchos estados, por ejemplo, muchas posiciones diferentes a la vez. Dos partículas también pueden presentar "entrelazamiento", de modo que cambiar el estado de una afecta instantáneamente a la otra.

Bennett y otros investigadores se dieron cuenta de que algunos cálculos exponencialmente lentos, o incluso imposibles, podrían realizarse de manera eficiente con la ayuda de fenómenos cuánticos. Un ordenador cuántico almacenaría la información en forma de bits cuánticos o cúbits. Los cúbits pueden existir simultáneamente en forma de uno y cero, y tanto el entrelazamiento cuántico como otro truco conocido como interferencia cuántica permiten encontrar la solución a un cálculo en un número exponencialmente grande de estados. Es muy difícil comparar los ordenadores cuánticos con los clásicos, pero en términos generales, un ordenador cuántico con tan solo unos pocos cúbits podría realizar de manera simultánea más cálculos que la cantidad de átomos que hay en las dimensiones del universo que actualmente se conocen. 

En el verano de 1981 IBM y el MIT organizaron la Primera Conferencia sobre la Física de la Computación, un evento histórico que tuvo lugar en Endicott House (EE. UU.), una mansión de estilo château que no está muy lejos del campus del MIT. Durante la conferencia, Bennett capturó en una foto a varias de las personas más influyentes de la historia de la computación y la física cuántica en el césped. En la foto se puede apreciar a Konrad Zuse (desarrolló el primer ordenador programable) y a Richard Feynman (importante colaborador de la teoría cuántica). Feynman dio el discurso de apertura y planteó la idea de que la informática tendría que utilizar efectos cuánticos. Bennett me comentó: "El mayor impulso que obtuvo la teoría de la información cuántica vino de Feynman, él dijo: '¡La naturaleza es cuántica, maldita sea! Así que si queremos simularla, necesitamos un ordenador cuántico'".

El ordenador cuántico de IBM, que actualmente es uno de los más prometedores de su clase, está al final del pasillo de la oficina de Bennett. La máquina está diseñada para crear y manipular el elemento clave de los ordenadores cuánticos: los cúbits que almacenan información.

Foto: Este laboratorio en IBM alberga máquinas cuánticas conectadas a la nube. Crédito: Jeremy Liebman.

La brecha entre el sueño y la realidad

La máquina de IBM explota los fenómenos cuánticos que ocurren en los materiales superconductores. Por ejemplo, una corriente puede fluir simultáneamente tanto en el sentido de las manecillas del reloj como al revés. El ordenador de IBM usa circuitos superconductores en los que dos estados distintos de energía electromagnética forman un cúbit.

El enfoque de los cúbits superconductores tiene algunas ventajas claves. El hardware se puede confeccionar con métodos de fabricación ya establecidos y el sistema se puede controlar con un ordenador convencional. Los cúbits en un circuito superconductor también son más fáciles de manipular y menos delicados que los fotones o iones individuales.

Dentro del laboratorio cuántico de IBM, los ingenieros trabajan en una versión del ordenador de 50 cúbits. Un ordenador cuántico sencillo se puede simular fácilmente en un ordenador convencional, pero hacerlo con uno de unos 50 cúbits es casi imposible. Eso significa, teóricamente, IBM se está acercando al punto en el que un ordenador cuántico es capaz de resolver los problemas que un ordenador convencional no puede; en otras palabras: se acerca al punto de referencia conocido como supremacía cuántica.

Pero como le dirían los investigadores de IBM, la supremacía cuántica es un concepto difícil de alcanzar. Los 50 cúbits deberían funcionar perfectamente, pero esto complicado porque, en realidad, los ordenadores cuánticos están plagados de errores que deben corregirse. También es muy difícil mantener los cúbits durante cualquier periodo de tiempo ya que tienden a a perder su coherencia cuántica, es decir, pierden su delicada naturaleza cuántica de la misma forma en la que un anillo de humo se disuelve con cualquier corriente de aire. Y cuantos más cúbits haya, más difícil se vuelven ambos desafíos.

El profesor de la Universidad de Yale (EE. UU.) y fundador de la compañía Quantum Circuits, Robert Schoelkopf, explica: "Si tuviera 50 o 100 cúbits que realmente funcionaran bien y estuvieran libres de errores por completo, podría realizar cálculos inimaginables que no se pueden replicar en ninguna máquina clásica, ni ahora ni nunca. El lado oscuro de la computación cuántica es que hay formas exponenciales de que vaya mal".

Foto: Los chips dentro del ordenador cuántico de IBM (en la parte inferior) se enfrían a 15 milikelvin. Crédito: Jeremy Liebman.

Otra razón por la cual hay que tener cautela es que nadie tiene claro cuál será la utilidad de un ordenado cuántico que funcione a la perfección. Un ordenador cuántico no acelera cualquier tarea que le encomiende, de hecho para muchos cálculos, la realidad es que el ordenador cuántico sería más lento que las máquinas clásicas. Hasta el momento solo se han diseñado un puñado de algoritmos en los que un ordenador cuántico tendría una clara ventaja, e incluso para aquellos algoritmos esa ventaja podría tener una breve duración. El algoritmo cuántico más famoso, desarrollado por Peter Shor en MIT, se utiliza para encontrar los factores primos de un número entero. Muchos esquemas criptográficos habituales se basan en el hecho de que esta tarea es complicada para un ordenador convencional. Pero la criptografía podría adaptarse con nuevos tipos de código que no dependan de la factorización.

"Lo que está provocando las exageraciones es el hecho de que la computación cuántica ya es real. Ya no es el sueño de un físico, es la pesadilla de un ingeniero".

Esta es la razón por la cual, incluso a medida que se acercan al hito de 50 cúbits, los propios investigadores de IBM están dispuestos a rebajar la exageración que hay en torno a ellos. En el pasillo que da al exuberante jardín, me encontré con Jay Gambetta, un australiano alto y tranquilo que investiga algoritmos cuánticos y posibles aplicaciones para el hardware de IBM. Eligiendo sus palabras con cuidado, Gambetta dijo: "Estamos en una etapa única. Tenemos un dispositivo tan complicado que un ordenador convencional es incapaz de simularlo, pero no podemos controlarlo con la misma precisión con la que construimos los algoritmos que ya dominamos".

La esperanza de los investigadores de IBM es que incluso un ordenador cuántico imperfecto resulte útil.

Gambetta y otros científicos se han centrado en una aplicación que Feynman visualizó en 1981. Las reacciones químicas y las propiedades de los materiales están determinadas por las interacciones entre átomos y moléculas. Esas interacciones están gobernadas por fenómenos cuánticos. Un ordenador cuántico debería, al menos en la teoría, ser capaz de modelar esas interacciones de formas inasumibles por un ordenador convencional.

El año pasado, Gambetta y sus colegas de IBM utilizaron una máquina de siete cúbits para simular la estructura precisa del hidruro de berilio. Aunque solo tiene tres átomos, es la molécula más compleja jamás modelada con un sistema cuántico. En última instancia, los investigadores podrían utilizar ordenadores cuánticos para diseñar células fotoeléctricas más eficientes, medicamentos más efectivos o catalizadores que conviertan la luz solar en combustibles limpios.

Estos objetivos están muy lejos. Pero Gambetta cree que podrán obtener resultados valiosos al combinar una máquina cuántica propensa a errores con un ordenador clásico.

Del sueño de un físico a la pesadilla de un ingeniero

El profesor del MIT de constitución delgada y de voz suave Isaac Chuang afirma: "Lo que está provocando las exageraciones es el hecho de que la computación cuántica ya es real. Ya no es el sueño de un físico, es la pesadilla de un ingeniero".

A finales de la década de 1990 y principios de la de 2000, mientras trabajaba en IBM en California (EE. UU.), Chuang lideró el desarrollo de algunos de los primeros ordenadores cuánticos. A pesar de que ya no trabaja en esos ordenadores, opina que estamos al principio de algo muy grande: cree que la computación cuántica llegará a jugar un importante papel en la inteligencia artificial.

Pero también sospecha que la revolución no comenzará hasta que una nueva generación de estudiantes y hackers puedan jugar con máquinas prácticas. Los ordenadores cuánticos no solo requieren diferentes lenguajes de programación, también necesitan una aproximación diferente al concepto de programación. Como dice Gambetta: "Realmente no sabemos cuál es el equivalente de 'Hola, mundo' en un ordenador cuántico".

Pero estamos empezando a descubrirlo. En 2016 IBM conectó un pequeño ordenador cuántico a la nube. Gracias a un kit de herramientas de programación llamado QISKit, cualquiera puede utilizarlo para ejecutar programas simple. Desde entonces, miles de personas, desde investigadores académicos hasta niños en edad escolar, han creado programas QISKit que ejecutan algoritmos cuánticos básicos. Ahora Google y otras compañías también están conectando sus nuevos ordenadores cuánticos online. No se puede hacer mucho con ellos, pero por lo menos permiten que gente que está fuera de los laboratorios principales pueda acceder a una muestra de lo que puede venir.

La comunidad de las start-ups también se está emocionando. Poco después de ver el ordenador cuántico de IBM, fui a la escuela de negocios de la Universidad de Toronto (Canadá) para participar en una competición de start-ups cuánticas. Los equipos de emprendedores se levantaron nerviosos y presentaron sus ideas a un grupo de profesores e inversores. Una compañía esperaba usar ordenadores cuánticos para modelar los mercados financieros. Otra planeó hacer que diseñaran nuevas proteínas. Y otra quería construir sistemas de IA más avanzados. Lo que no se reconoció en la sala fue que todos los equipos estaban proponiendo negocios basados en una tecnología tan revolucionaria que apenas existe. Aunque esto no parecía importarles demasiado.

Este entusiasmo podría esfumarse si los primeros ordenadores cuánticos tardan en encontrar un uso práctico. La mejor suposición de quienes realmente conocen las dificultades (personas como Bennett y Chuang) es que los primeros ordenadores cuánticos útiles todavía están a varios años de distancia. Y para esto hay que asumir que el problema de administrar y manipular una gran colección de cúbits se puede solucionar.

De todas formas, los expertos no pierden la esperanza. Cuando le pregunte cómo sería el mundo cuando mi hijo de dos años creciera, Chuang, que aprendió a usar ordenadores jugando con microchips, respondió con una sonrisa: "Tal vez tu hijo tendrá un kit para construir un ordenador cuántico".

Este reportaje analiza en profundidad una de nuestras 10 Tecnología Emergentes de 2018: El salto cuántico de los materiales