Crédito: Daniel Zender.

Este mes, IBM y Google han afirmado que quieren comercializar ordenadores cuánticos durante los próximos años (Google especificó cinco). Lo quieren hacer al vender accesos a sus exóticas máquinas mediante un nuevo tipo de servicio en la nube. Los rivales predicen una nueva era en la que los ordenadores serán inmensamente más potentes, con dividendos que incluirán una gestión de rutas más eficiente para la logística y las empresas de mapeo, nuevas formas de aprendizaje automático, mejores recomendaciones de producto y diagnósticos más precisos.

Pero antes de eso, es probable que los primeros beneficios de los ordenadores cuánticos provengan de la investigación química, al ayudar a los científicos a mejorar baterías y componentes electrónicos. Hasta ahora, estimular moléculas y reacciones ha sido uno de los usos que han encontrado estas máquinas, diseñadas específicamente por investigadores que desarrollan los algoritmos necesarios para que funcionen.

Los ordenadores cuánticos, que representan los datos mediante efectos de mecánica cuántica a escalas diminutas, deberían poder ejecutar operaciones imposibles para cualquier ordenador convencional. Recientes avances en el hardware que podrían ser utilizados para construirlos han dado paso a un aluvión de inversiones de empresas que incluyen Microsoft, Intel, Google e IBM (ver TR10: Ordenadores cuánticos funcionales).

"Desde el punto de vista de lo que está teóricamente demostrado, la química lleva la delantera", explica el director tecnológico de la división de hardware de IBM, Scott Crowder. El responsable espera añadir los ordenadores cuánticos alojados en la nube a su abanico de productos durante los próximos años. Y asegura: "Tenemos más confianza en los sistemas más pequeños para la química". 

Hace mucho que los investigadores han empleado simulaciones de moléculas y reacciones químicas para la investigación de nuevos materiales, fármacos o catalizadores industriales. La táctica puede reducir el tiempo empleado en entornos físicos y callejones científicos sin salida, y representa una importante proporción de la carga de trabajo de los superordenadores del mundo.

Pero los beneficios son limitados porque incluso los superordenadores más potentes son incapaces de recrear a la perfección los complejos comportamientos cuánticos de átomos y electrones en moléculas relativamente pequeñas, explica el profesor de química de la Universidad de Harvard (EEUU) Alán Aspuru-Guzik. El científico está ansioso por la llegada de las simulaciones de los ordenadores cuánticos, las cuales podrían acelerar los esfuerzos de su grupo de investigación para encontrar nuevas moléculas emisoras de luz para pantallas, por ejemplo, y baterías adecuadas para el almacenaje energético a escala de red. 

"Ahora mismo tenemos que calibrar constantemente con datos experimentales", señala Aspuru-Guzik, que fue pionero en métodos para simular moléculas con ordenadores cuánticos, y añade: "Una parte del proceso se volvería innecesaria si tuviéramos un ordenador cuántico".

Simular los efectos cuánticos que dan forma a las estructuras moleculares y las reacciones es un problema natural para los ordenadores cuánticos porque su poder nace de codificar los datos en esos mismos estados cuánticos, los cuales son difíciles de alcanzar. Los componentes de los ordenadores cuánticos, conocidos como qubits, pueden emplear procesos de mecánica cuántica para tomar atajos computacionales imposibles para una máquina convencional. (La empresa canadiense D-Wave ya ofrece un chip con propiedades cuánticas a investigadores industriales y académicos, pero no está claro si el dispositivo realmente ofrece los beneficios que se esperan de los ordenadores cuánticos).

Microsoft está apostando por una forma menos madura de hardware cuántico que IBM y Google (ver El viaje lento y rápido de la computación cuántica), pero tiene uno de los esfuerzos más avanzados para desarrollar algoritmos cuánticos. La química y la ciencia de materiales se cuentan entre sus principales áreas de interés. Los investigadores del grupo han intentado demostrar que los sistemas híbridos que combinan un ordenador convencional y un pequeño ordenador cuántico podrían hacer simulaciones químicas.

"Muestra una gran promesa para el estudio de moléculas", afirma la responsable del grupo de Microsoft que trabaja en algoritmos cuánticos, Krysta Svore. La búsqueda de nuevos materiales superconductores prácticos es otra posible aplicación del modelo híbrido que no debería requerir ordenadores cuánticos muy grandes, explica. Los ordenadores convencionales luchan por replicar el comportamiento cuántico de los electrones necesarios para la superconductividad. 

Si los primeros éxitos en química llegan, eso sería un buen presagio para el futuro de los ordenadores cuánticos. Su potencial para estudiar moléculas es tan sólo una manifestación de sus dotes para lo que los informáticos denominan como problemas de optimizacion, que incluyen la identificación de la mejor solución entre muchas alternativas. Esto podría ser tanto la configuración más estable de los electrodos de un átomo como la ruta de entregas más eficiente dentro de una ciudad.

Hoy, las simulaciones químicas son el tipo de problema práctico de optimización que mejor entienden los investigadores para saber cómo plantearle el problema a un ordenador cuántico, según el profesor de la Universidad de Maryland (EEUU) Chris Monroe , que es cofundador de la start-up de computación cuántica IonQ. Pero se están logrando progresos en otras aplicaciones de la optimización cuántica, como el aprendizaje automático, y debería haber muchas más. 

Svore de Microsoft cree que las aplicaciones de aprendizaje automático están cerca. Mientras tanto, romper la encriptación, aunque representa una amenaza real, es una de las aplicaciones más lejanas de la tecnología porque los algoritmos involucrados requerirían un procesador cuántico extremadamente grande.

Monroe compara el momento actual de la computación cuántica con los primeros días del transistor, que tuvo su primer éxito en audífonos antes de pasar a cosas más grandes.

El experto concluye: "No se imaginaban que se pudieran meter 50.000 millones en un chip y hacer todas estas otras cosas. Nos encontramos más o menos en la fase del audífono, en la que entendemos unas pocas aplicaciones específicas y tenemos que seguir explorando".