Día Mundial de la Cuántica: Estado actual, desafíos y perspectivas de la Computación Cuántica

El 14 de abril es el Día Mundial de la Cuántica. La propuesta surgió en 2021 como una iniciativa impulsada por científicos, educadores y divulgadores de diferentes países. Con el tiempo, la iniciativa ha ido ganando el apoyo de diversas organizaciones científicas y académicas de todo el mundo, aunque no está asociada a una entidad específica como sí ocurre con algunos días internacionales oficiales.

Se eligió el 14 de abril por su relación simbólica con la física cuántica. Esta fecha, representada en el mundo anglosajón colocando primero el número del mes y luego el número del día, forma 4,14, los tres primeros dígitos redondeados de la constante de Planck.

Max Planck fue el primero en proponer la cuantificación de una cantidad física, y su constante marca el límite entre los mundos clásico y cuántico.

en nuestras vidas

Más de un siglo después, y tras innumerables avances tecnológicos derivados de la mecánica cuántica –como el transistor, el láser o la resonancia magnética– nos encontramos ante una nueva frontera: la computación cuántica. Las supermáquinas en desarrollo prometen abordar problemas que la computación clásica no puede resolver de manera efectiva.

En un contexto dominado por el hype y el FOMO, es habitual encontrar declaraciones sobre su impacto inmediato en áreas como el desarrollo de medicamentos, nuevos materiales o la lucha contra el cambio climático. ¿Pero dónde estamos realmente?

Ventaja cuántica

La llamada ventaja cuántica se refiere a la capacidad de resolver problemas de manera más eficiente que con los métodos clásicos. Esto no significa que un procesador cuántico sea más rápido en términos de operaciones por segundo, sino que puede requerir muchas menos operaciones para resolver ciertos problemas. De hecho, las supercomputadoras clásicas actuales pueden realizar del orden de un billón (millón de billones) de operaciones por segundo, mientras que los dispositivos cuánticos actuales realizan alrededor de un millón por segundo.

Hasta ahora, esta ventaja se ha demostrado experimentalmente en problemas sin aplicación práctica directa. Esto desplazó la cuestión de si es posible una ventaja cuántica a si es posible lograr una ventaja cuántica útil.

¿Sabemos hacer algo con una computadora cuántica?

Una de las áreas más prometedoras es la simulación de sistemas físicos cuánticos. De hecho, esta fue la motivación original: si la naturaleza es cuántica, hagamos máquinas que sigan sus mismas reglas. Así, simular la evolución de sistemas cuánticos de muchos cuerpos utilizando técnicas como la descomposición de Trotter fue una de las primeras propuestas con una ventaja teórica demostrada. Esto tiene implicaciones en el estudio de materiales magnéticos, materia condensada o física de partículas.

Ventajas químicas

En química cuántica, el potencial es particularmente relevante. Algoritmos como la estimación de fase o la diagonalización cuántica del Krill pueden permitir el estudio de sistemas complejos como el FeMoCo, responsable de la fijación de nitrógeno en la naturaleza. Comprender este proceso nos permitiría replicar de manera eficiente la producción de amoníaco, que es crucial para los fertilizantes y la energía, en comparación con los métodos industriales actuales, que son mucho más caros en términos de energía.

La amenaza de la seguridad de las comunicaciones y la inteligencia artificial cuántica

Además de la simulación, también existen algoritmos cuánticos con impacto en la informática. El más famoso es el de Peter Shore, que es capaz de factorizar eficientemente grandes números, lo que supone una amenaza para la criptografía actual.

En el campo del aprendizaje automático y la inteligencia artificial se han propuesto algoritmos como los variacionales, aunque aún no está claro si ofrecen ventajas reales. Propuestas recientes como la interferometría cuántica decodificada (DKI) sugieren posibles ventajas en problemas de optimización que son muy relevantes para la industria, pero que aún están lejos de tener aplicaciones prácticas.

Errores y presión de los algoritmos clásicos.

Entonces, ¿por qué no tenemos ya ventajas cuánticas útiles? Los dispositivos actuales, del orden de 100 qubits (equivalentes cuánticos de bits clásicos), presentan errores frecuentes (aproximadamente una de cada mil operaciones), lo que limita la longitud de los algoritmos que pueden ejecutarse de manera confiable. Esto ha permitido replicar rápidamente muchas de las pruebas cuánticas utilizando técnicas clásicas avanzadas, como redes tensoriales o métodos de propagación de operadores, que siguen mejorando y ejerciendo presión sobre el campo cuántico.

Dudas razonables

Varios estudios cuestionan algunas propuestas de una ventaja cuántica en el aprendizaje automático. En determinados casos, si los algoritmos pueden entrenarse eficazmente, también pueden simularse de forma clásica. En otros, los problemas que intentan resolver son demasiado simples para que exista una ventaja cuántica. Otras propuestas como DKI aún no tienen una aplicación práctica directa, porque abordan problemas que requieren una determinada estructura para ser eficaces.

La presión de los métodos clásicos y el estudio de los límites de las propuestas cuánticas son fundamentales para entender para qué se puede utilizar un ordenador cuántico.

Corregir errores a cambio de tiempo y tamaño

Una solución a largo plazo pasa por la corrección de errores cuánticos. Esta técnica implica construir qubits lógicos confiables a partir de muchos qubits físicos ruidosos. En principio, permite reducir arbitrariamente los errores, pero a costa de un gran aumento de los recursos necesarios. Las estimaciones más aceptadas (aquí solo considero artículos revisados ​​por pares) de los recursos necesarios para descifrar una clave criptográfica de la vida real (RSA-2048) dicen que se requieren 20 millones de qubits ruidosos y un tiempo de ejecución de 8 horas. Esto debería reducir la tasa de fallas a un error por cada mil millones de operaciones.

Aunque hay propuestas recientes que sugieren reducir estos requisitos a decenas o cientos de miles de qubits, suponen avances tecnológicos que aún no se han logrado y no son baladíes. Imagine que se necesitaron más de 20 años para demostrar experimentalmente las propuestas de código de superficie originales de Alexei Kitaev. Aunque el progreso es rápido, se necesita tiempo para lograrlo. Especialmente cuando tenemos procesadores de 100 qubits y necesitamos decenas o cientos de miles de ellos.

La lucha contra la naturaleza

El mensaje, sin embargo, no debe ser de pesimismo sino de cautela. En un entorno dominado por la exageración, es responsabilidad de la comunidad científica ser rigurosa y honesta sobre el estado real de la tecnología. La computación cuántica tiene un enorme potencial, pero su impacto transformador aún requiere avances fundamentales y ciencia básica. Es nuestra responsabilidad determinar rigurosamente para qué tareas puede resultar útil una computadora cuántica.

Durante mi visita a la Universidad de Cambridge, tuve el placer de asistir a una conferencia del profesor Mikhail Lukin, líder mundial en computación cuántica basada en átomos fríos. En él, Lukin señaló que la corrección de errores cuánticos intenta construir estados cuánticos a escalas nunca antes alcanzadas. En cierto modo, es una batalla contra la propia naturaleza, que tiende a limitar los efectos cuánticos a escalas muy pequeñas. Creo que podremos desafiar la constante de Planck creando estas máquinas cuánticas, pero ¿sabremos qué hacer con ellas?

El Día Mundial Cuántico es un buen momento para celebrar todo lo que se ha logrado en la llamada primera revolución cuántica del siglo XX. Y también para abordar con optimismo esta nueva era en la que estamos inmersos: la segunda revolución cuántica.