Así funciona un procesador cuántico: la gran revolución tecnológica que viene

La televisión a color condenó al olvido al blanco y negro. El vídeo mató a la estrella de la radio. Internet dio la vuelta a las telecomunicaciones y el procesador cuántico los relegará a meras anécdotas. Aún habrá que esperar algunos años para verlo cristalizar, pero la próxima gran revolución tecnológica (con permiso de la de los robots) ya está ocurriendo y lleva la firma de las grandes empresas del sector: IBM, Microsoft, Google, Intel e incluso la NASA ya compiten en una carrera cuántica para desarrollar el procesador más grande, más rápido y más fiable del mundo. “En cinco años será algo mainstream”, dijo hace dos días Thalia Gershon, gerente de Inteligencia Artificial y Experiencias Cuánticas de IBM, durante la reunión de predicciones que celebra la multinacional cada año en Las Vegas (EEUU).

No es algo nuevo: IBM habló de ello por primera vez en 2006, algo que se materializó diez años más tarde en The Quantum Experience, cuando puso a disposición de todo el mundo en la nube la potencia de su procesador cuántico. Por aquel entonces contaba con 5 qubits (la unidad básica de un sistema de computación cuántico) y muchas incógnitas. Se quedaba corto para la mayoría de cálculos y era más un juguete de laboratorio que un procesador para uso real. Tras este vino uno de 16 qubits y después otro de 20. Así hasta 50 qubits, el más grande de la compañía y que ha presentado hace poco tiempo.

“Ahora mismo nos encontramos en la primera etapa, la de construcción del hardware”, explica a eldiario.es Francisco Javier Gálvez Ramírez, licenciado en Físicas por la Universidad de Valencia y hasta hace poco técnico de preventa en IBM. Él ha sido uno de los pocos divulgadores de la tecnología cuántica que ha ido por las universidades españolas mostrando las bondades y las capacidades del nuevo procesador, algo así como la cara visible del proyecto IBM Quantum Experience en nuestro país. Ha dejado la compañía estadounidense recientemente: ahora piensa dedicarse a la computación cuántica por otras vías.

Una tecnología multimillonaria

En febrero de 2016, la Unión Europea publicó el Quantum Manifesto (Manifiesto cuántico), un programa a 10 años para impulsar la tecnología y dotado con 1.000 millones de euros. Se ha puesto en práctica hace apenas unas semanas con el FET Flagship on Quantum Technologies (Programa de Bandera sobre las Tecnologías Cuánticas), un pliego que trabajará en cinco áreas de la cuántica (telecomunicaciones, sistemas de computación, simulaciones, metrología y detección y ciencias fundamentales). Solo por contextualizar, la Universidad de Shanghái (China) está construyendo un supercentro de investigación cuántica para el que ha destinado 10.000 millones de dólares (unos 8.000 millones de euros) y que esperan, abra sus puertas en 2020.

“En 2014, IBM gasto unos 3.000 millones de dólares en investigación en nanotecnología, donde se incluía la computación cuántica”, continúa Gálvez. Ahí se pierde el rastro de la inversión. Entre los pocos números que han trascendido están los 15 millones de dólares del 'otro' procesador cuántico que fabrica la empresa D-Wave. A pesar de tener 2.000 qubits, como explica el científico, este “no es un procesador universal”, ya que “está pensado para resolver un tipo de problemas muy concreto: de máximos y mínimos, de optimización. No pueden resolver cualquier problema. Puede hacer cosas pero no todas las cosas”. La marca de coches alemana Volkswagen se hizo con uno a principios de este año para predecir los patrones de tráfico y mejorar la circulación de taxis en Pekín. Y en 2015 Google, junto a la NASA, también hizo algún que otro experimento con él relacionado con la búsqueda y el etiquetado de imágenes y el reconocimiento de voz.

“En los años 40 ibas a comprar un ordenador y te preguntaban para qué lo querías. Te vendían uno para calcular nóminas, otro para hacer otro tipo de cálculos...”, dice Gálvez. Por eso la tecnología se centra en el desarrollo de los procesadores universales, en esos que, previsiblemente, mejorarán en los próximos años la vida de la gente. “Ya se está barajando la posibilidad de crear un Internet cuántico. Esto lo que tendría sería muchísima más seguridad y muchísima más velocidad. Así tendríamos redes de comunicación más eficientes”, explica el físico. Esta es una de las cinco áreas sobre las que trabaja la UE.

¿Podemos pensar en móviles cuánticos?

Gálvez habla de más posibilidades, como la mejora del cifrado RSA. Es el estándar que utiliza la industria y algunas estructuras clave como bancos o servicios de pagos en línea. “Un computador cuántico es capaz de romper ahora mismo el protocolo RSA. Aunque hoy por hoy no exista uno tan grande, si se continúa desarrollando sí será capaz de romperlo. ¿Cómo se soluciona esto? Pues cifrando archivos con computación cuántica. Así tendríamos sistemas más seguros que podrían dar lugar a sistemas biométricos muchísimo más ajustados, más eficientes, más rápidos...”, continúa.

Si el primer procesador clásico dio lugar al primer teléfono móvil, ¿qué será capaz de hacer el primer procesador cuántico? Aún habrá que esperar unos cuantos años para verlo integrado en un smartphone. El principal problema al que se enfrenta la investigación es la refrigeración, y es que un procesador cuántico necesita estar a temperaturas muy bajas, cercanas al 0 absoluto. Según Gálvez, ya se está investigando con materiales superconductores “para que podamos tenerlo a temperatura ambiente, algo ahora imposible porque habría que enfriarlo demasiado”. El científico asegura que así, los teléfonos móviles del futuro podrían ser “más pequeños y contarían con una capacidad de cómputo muchísimo mayor. En definitiva: serían mucho más potentes”.

Todo indica que un procesador más rápido, más grande, más eficiente y más potente implicará un consumo de energía muy elevado. Pero Gálvez lo niega: “Es la gran ventaja”, dice. Los grandes centros de almacenamiento del mundo (esos sitios donde 'la nube' de Internet baja hasta la Tierra y se materializa en servidores) se enfrentan al gran problema de la refrigeración de sus sistemas. “Sin embargo, un procesador cuántico de 100 qubits, que sería un chip, aunque haya que enfriarlo a 15 milikelvins, prácticamente el 0 absoluto, tiene más potencia de cálculo que un superordenador. Con lo cual, el consumo de potencia es como varios cientos o miles de veces inferior a un computador clásico equivalente. Muchísimo menos”, asegura el físico.

Programas cuánticos con base clásica

La Agencia Internacional de Energía (IEA), en su informe del año pasado, publica que el minado de bitcoin en el mundo representa el 85% de la energía que consume la República Checa en términos absolutos. Si fuera un país, ocuparía el puesto 46 en la lista de países que más energía consumen en el mundo. Por eso el procesador cuántico podría venir a solucionar esa quimera a la que se enfrenta el minado de la criptodivisa: “Justamente, el algoritmo para minar bitcoin se basa en encontrar números primos. Y en ese tipo de problemas, un buen programador que sea capaz de dar con un algoritmo para hacer este tipo de cosas se llevará el gato al agua”, afirma Gálvez.

Hasta aquí la primera fase, la del hardware. La segunda se espera que llegue en torno al año 2020 y tendrá que ver más con el software. “Para entonces, se supone que tendremos del orden de 100 qubits y podremos hacer programas que sean mucho más eficientes o, por lo menos, útiles en comparación con un superordenador”, dice el científico. 

“Es muy difícil programar para un procesador cuántico porque toda la teoría algorítmica para procesadores clásicos no nos sirve”, continúa. Gálvez explica que los programas con los que ahora mismo entrena el procesador cuántico “son de ámbito y aplicación académica, como los que existían al principio de los tiempos en computación clásica”.

En la computación tradicional, la información tiene dos estados: 0 y 1. Un bit es 1 o es 0, pero no puede ser 0 y 1 a la vez. En la computación cuántica, un bit puede ser ambos estados al mismo tiempo gracias al fenómeno de la “superposición”, que agrega un estado a la información y es uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica. En pocas palabras, esto lo que permite es empaquetar mucha más información y conseguir que viaje de manera más rápida.

Si planteásemos a dos procesadores, uno clásico y otro cuántico, la tarea de buscar un número de teléfono en una guía, el primero iría uno por uno buscando los números mientras que el otro “codificaría todas las posibles soluciones en un espacio de superposición cuántica y aplicaría una búsqueda en paralelo”, según Gálvez. En una frase: “lo haría más rápido y en menos tiempo”.

La superioridad cuántica que vendrá

“Ni si quiera podemos imaginarnos adónde va a llegar el procesador cuántico. Nos ofrece posibilidades en las que no hemos pensado”, explica a este diario Juan Manuel Orduña Huertas, Licenciado en Informática por la Universidad Politécnica de Valencia y que en diciembre del año pasado estuvo, junto a Gálvez, organizando un curso de computación cuántica en la Universidad de Valencia. 

La superioridad cuántica aún no ha llegado. Esta idea basa en que “estos procesadores hagan cosas que ningún supercomputador existente en el mundo permita hacer”, según Orduña. En su opinión, es algo que “con el avance de la tecnología, sí podremos ver”. Por eso aún no hay que pensar en softwares como recién salidos de Ready player one, ni en Matrix. Y es que “la comercialización de la tecnología cuántica y por ende de la computación cuántica, de aquí a dos años, sí estará preparada”, según Gálvez.

Para ello primero será necesario contar con softwares competentes, que vayan más allá del campo de la matemática. “Cuando hablamos ahora mismo de programas cuánticos no hablamos de un programa de reconocimiento de imagen ni de un programa de correo. Eso va a seguir siendo clásico”. Se trata de problemas para determinar si una función es par o impar, hacer cálculos espaciales, etcétera. Según Gálvez, estos “son la base para construir problemas más complejos”. Por su parte, el profesor Orduña duda incluso de que la teórica e inminente gran revolución que viene, la de los robots, lleve procesadores cuánticos: “No sé si será posible. Hasta que la tecnología no esté más asentada y no esté más claro cómo va a ser el procesador cuántico del futuro, yo no me atrevería a hacer valoraciones”, concluye.