Computación cuántica: la misteriosa ciencia que obra milagros y resiste a los hackers

Por muy aburrido que resulte, la magia y los milagros quedan totalmente descartados para cualquiera que utilice la ciencia como base para sus opiniones y creencias. Pero existe un campo científico con unos principios tan contrarios a la lógica que casi dan la sensación de pertenecer al reino de la fantasía. Por supuesto, le hablo del mundo cuántico, aquel en el que las leyes de la física clásica no se cumplen, dando lugar a fenómenos que parecen sacados de la ciencia ficción y que permiten que los seres racionales disfrutemos de situaciones, en apariencia, mágicas.

En el mundo cuántico, el célebre gato de Schrödinger puede estar vivo y muerto a la vez (superposición cuántica), y también puede estar conectado a otro gato ubicado en la otra punta del planeta con el que comparte comportamientos o características (entrelazamiento cuántico). Ese mismo gato incluso podría lanzarse contra una pared y cabría la posibilidad de que apareciera al otro lado (efecto túnel). Pero, por muy milagroso que suene todo, la teoría y los experimentos científicos nos dicen que estos fenómenos realmente existen, solo que no podemos verlos.

Aunque teóricamente la mecánica cuántica rige sobre todo lo que el universo contiene, sus extrañas propiedades solo suelen presentarse entre las partículas más pequeñas y misteriosas, mientras que tienden a quedar ocultas o anuladas a la macroescala en la que los humanos vivimos y observamos directamente. Y dado que hacen falta años de formación especializada para entender las bases científicas que sustentan estos milagros cuánticos, y que incluso dentro de la propia academia existen debates sobre ellas, lo importante es que nos quedemos con los principales fenómenos cuánticos observables y con las revolucionarias aplicaciones que prometen si logramos desarrollar técnicas y máquinas capaces de ejecutarlos de forma fiable y escalable.

Por eso, si hay un campo de trabajo en la mecánica cuántica que despunta sobre todos los demás ese es el de la computación cuántica. Algunas de las empresas más grandes e innovadoras del mundo, como Google e IBM, compiten desde hace años en una carrera por desarrollar ordenadores cuánticos funcionales. Y, aunque el antiguo presidente de EE. UU. Donald Trump fue más famoso por sus drásticos recortes en otras áreas claves de la ciencia como el cambio climático, en 2018 se comprometió a destinar 1.200 millones de dólares para impulsar la tecnología cuántica en el país.

En la otra punta del planeta, el Gobierno chino se alza como el otro gran corredor de la carrera cuántica. El país lleva décadas intentando derrocar a EEUU del trono de líder supremo del mundo, y una de sus principales estrategias para lograrlo consiste en apoyar el avance de distintas ramas de la ciencia y la tecnología, como la inteligencia artificial y los viajes espaciales. Así que no es de extrañar que el sector cuántico también figure entre sus prioridades de inversión. “En los últimos 10 años, China ha invertido más de 1.000 millones de dólares en tecnología cuántica, con inversiones adicionales de 150 millones de dólares en fondos para start-ups. Sus planes a largo plazo incluyen hasta 15.000 millones de dólares de inversiones públicas”, detalla un informe del Foro Económico Mundial. Gracias a este fuerte apoyo estatal, distintos análisis y expertos ya sitúan al gigante asiático como líder en I+D cuántico.

Para comprender por qué tanto revuelo, primero es necesario entender los principales conceptos cuánticos que lograrían que la computación cuántica deje a la clásica a la altura de un reloj Casio con calculadora: la superposición y el entrelazamiento.

• Superposición cuántica: este es el fenómeno que dio origen al famosísimo gato que el físico Erwin Schrödinger utilizó como ejemplo para explicarlo. Básicamente consiste en que, mientras en la física clásica las cosas están en un solo estado (vivo o muerto, apagado o encendido, arriba o abajo, etcétera), las partículas del mundo cuántico se encuentran en una combinación de todos sus estados posibles a la vez y únicamente colapsan en uno de ellos cuando son observadas. Por eso, mientras el gato permanezca encerrado en la caja, está vivo y muerto simultáneamente, en un estado de superposición.
• Entrelazamiento cuántico: para Albert Einstein, la capacidad de dos partículas de compartir la misma existencia (características o comportamientos) a largas distancias resultaba “espeluznante”. Sin embargo, la posibilidad de emparejar partículas en estado cuántico resulta clave para la computación y la comunicación basada en esta versión de la física. Tener dos partículas entrelazadas cuánticamente supone que todo lo que le pase a una se replica instantáneamente en la otra, aunque estén a kilómetros de distancia.

Son estas dos misteriosas propiedades, aplicadas a los bits cuánticos o cúbits, las que permiten vislumbrar milagros en el área de la computación cuántica. En la versión clásica, la información se codifica en lenguaje binario en forma de ceros y unos, y cada bit solo puede estar en uno de ellos. Pero los cúbits se comportan de forma diametralmente opuesta. No solo pueden adoptar todos los estados disponibles entre el cero y el uno, sino que pueden encontrarse en todos A-LA-VEZ, como el gato vivo-muerto.

Gracias a esta infinidad de estados disponibles y a la posibilidad de adoptarlos todos al mismo tiempo, los ordenadores cuánticos pueden abordar muchísimos más cálculos simultáneamente y de forma más eficiente. Y por si esto no fuera suficiente para obligar a los ordenadores tradicionales a arrodillarse ante ellos, resulta que, cada nuevo cúbit hace que aumente la potencia de cálculo de forma exponencial, al que no ocurre con los bits tradicionales.

LA VALIOSA Y ESQUIVA SUPREMACÍA CUÁNTICA

Todo se resume en hacer mucho más con muchísimo menos, es decir, en usar un puñado de cúbtis (cientos o miles) para resolver complicadísimas operaciones matemáticas inabordables para los ordenadores tradicionales más potentes del mundo, cuyas cifras de bits se cuentan en billones o más. Este concepto se conoce como supremacía cuántica y representa el momento en el que los ordenadores cuánticos vuelvan obsoletos a los potentísimos supercomputadores tradicionales. Y, aunque parezca imposible, dicho hito fue más o menos alcanzado por Google en 2019, no sin cierta polémica mediante.

En aquel momento, el gigante de las búsquedas anunció que su ordenador cuántico de 53 cúbits había logrado completar, en 200 segundos, un cálculo que al entonces superordenador más potente del mundo le hubiera costado 10.000 años en resolver. Eso sí, IBM, su principal rival junto a China en la carrera por la supremacía cuántica, no tardó en contradecir a Google, afirmando que, con una serie de ajustes, la supercomputación clásica podría resolver el problema en un par de días o incluso menos.

Sea como fuere, se había logrado un hito y, desde entonces, también IBM y el Gobierno chino han demostrado sus propias versiones de supremacía cuántica. No obstante, para los puristas del término, la verdadera supremacía estriba en su capacidad para resolver esos problemas estratégicos del mundo real, esos mismos que lograrían que la computación cuántica se convirtiera en esa tecnología transformadora que tanto tiempo llevamos esperando.

En lugar de eso, los problemas resueltos hasta ahora y promocionados como ejemplos de supremacía cuántica sí son realmente complejos, pero resolverlos no aporta absolutamente nada al avance del conocimiento humano más allá del hito en sí mismo. Por ello y por mucho que se empeñen los departamentos de prensa y los medios de comunicación, son muchos los expertos que afirman que lo que se ha conseguido no es la supremacía cuántica, sino una mera ventaja. Y así es como lo llaman: ventaja cuántica.

No hay duda de que se trata de un paso importante, pero lo que realmente podría cumplir las promesas de la computación cuántica son los ordenadores cuánticos funcionales. Sin embargo, como no podía ser de otra manera, tanto fabricarlos como hacerlos funcionar resulta tan complejo y misterioso como los propios principios físicos que los gobiernan.

Como pasó en los primeros años de la informática, lejos de los potentes procesadores en miniatura que hoy pululan fácilmente por cualquier dispositivo inteligente, los ordenadores cuánticos actuales son máquinas enormes que deben permanecer en condiciones cercanas al vacío y al cero absoluto, y en salas aisladas de cualquier perturbación. Y es que los cúbits no son solo maravillosamente potentes, sino que también resultan extremadamente delicados.

La más mínima vibración, ruido, radiación o lo que sea destruye su estado cuántico convirtiéndolos en simples partículas de la física tradicional, incapaces de obrar prodigios cuánticos. Este fenómeno, conocido como decoherencia, es otro de los responsables de que, a pesar de los años de investigación y los millones invertidos, los ordenadores cuánticos funcionales y escalables todavía estén algo lejos de hacerse realidad.

A pesar de ello, hace ya un tiempo que los científicos del mundo pueden trabajar con las primeras versiones comerciales gracias al enfoque del pago por uso a través de la nube. Este modelo de comercialización fue estrenado por IBM en 2019 a través de su máquina IBM Q System One, y en 2021 dio un paso más al vender la primera copia física del modelo a la sociedad alemana de investigación Fraunhofer-Gesellschaft.  Desde entonces, el gigante informático ha desplegado varias unidades más de su máquina, y otros competidores como Google y Fujitsu han anunciado que empezarán a vender sus propios ordenadores cuánticos de forma inminente.

Gracias a estos primeros pasos, en 2020 el mercado mundial de la computación cuántica ya valía 412 millones de dólares y la cifra podría aumentar hasta los 8.600 millones de dólares en 2027, según la consultora tecnológica IDC. Cuando eso suceda, su inigualable potencia de cálculo promete revolucionar áreas de estudio como la química, la biología, los modelos climáticos, la criptografía, las finanzas e incluso los procesos de fabricación y la propia inteligencia artificial.

INTERNET CUÁNTICO A PRUEBA DE HACKERS

Dada la compleja estructura de las moléculas que componen la vida y toda la materia que conocemos, no es de extrañar que químicos, biólogos y farmacólogos fueran de los primeros en maravillarse por el poder científico de la computación cuántica. Estas potentes máquinas podrían acelerar el descubrimiento de compuestos útiles para nuevos fármacos y otras sustancias como materiales de fabricación, fertilizantes y compuestos aromáticos. Además, con la emergencia climática cada vez más palpable, su poder para modelar cantidades inimaginables de datos climáticos de todo tipo podría ofrecer predicciones y modelos mucho más precisos.

Pero si hay un campo que ha seducido a gobiernos, investigadores y empresas de todo el mundo ese es el de la comunicación y la criptografía cuánticas, cuyo despliegue podría dejar obsoletos todos los sistemas de encriptación actuales y ofrecer nuevas formas de comunicación físicamente inviolables.

Toda la información que actualmente se envía digitalmente a través de correos electrónicos y sistemas de mensajería viaja encriptada mediante complejos sistemas matemáticos creados por la informática tradicional. Descifrar dicha encriptación requeriría innumerables intentos dar con la clave correcta, lo que resulta prácticamente inabordable, aunque no imposible, hasta para los superordenadores más potentes. Pero cuando la computación cuántica se despliegue ampliamente, su potencia de cálculo podría doblegar estos cifrados sin problema, como quien parte en dos una ramita.

De momento, podemos seguir enviando mensajes a través de Internet tranquilamente porque, como dice el famoso emprendedor digital Fredy Vega, la mejor prueba de que la comunicación cuántica aún no ha llegado es que los sistemas de encriptación tradicionales todavía funcionan. La gran pregunta es qué pasará cuando lleguen. Afortunadamente, como toda tecnología, esta también tiene dos caras y, en la buena, promete ofrecer nuevas formas de encriptación cuántica que resultarían inviolables.

El primer paso para lograrlas consiste en lo que se conoce como distribución de claves cuánticas, que actúan como llave para codificar y decodificar los mensajes, y sustituirían a las claves creadas por criptografía tradicional. Dado su delicado estado cuántico, cualquier intento no autorizado para acceder a la clave destruiría dicho estado y revelaría la intromisión, por lo que el emisor y el receptor solo tendrían que comprobar que una de sus claves se ha mantenido intacta para garantizar la seguridad de la información transmitida.

Ya existen varias redes terrestres de distribución de claves cuánticas a través de fibra óptica e incluso se han hecho pilotos de envío vía satélite. Su potencial es tal que España ya está trabajando en su propia infraestructura a través de Camaruel, la primera misión satelital en órbita geoestacionaria a nivel mundial. El proyecto, que aspira a comprobar la viabilidad del sistema y está financiado por la Agencia Espacial Europea, cuenta con la participación de un consorcio de 19 empresas lideradas por Hispasat, entre las que figura, por ejemplo, el Banco Santander.

El fin último sería construir un gran sistema de internet cuántico, con sus propios repetidores, enrutadores y todos los demás componentes que conocemos, pero funcionando bajo las leyes cuánticas. Sin embargo, todavía falta mucho para eso y, a corto plazo, las principales aplicaciones de la comunicación cuántica se concentran en áreas estratégicas como la defensa y la información industrial crítica. Es poco probable que algún día enviemos nuestros GIF y memes mediante sistemas cuánticos. Sin embargo, resulta difícil afirmarlo dada la magia que se esconde detrás de esta tecnología. Al fin y al cabo, hace menos de un siglo nadie concebía que un gato pudiera estar vivo y muerto a la vez, así que, ¿quién sabe cuándo y cómo llegarán los próximos milagros cuánticos?