El manifiesto cuántico: tecnologías cuánticas, la segunda revolución

Tras unos meses de parón, retomo el blog con un tema fascinante,  la llamada 'segunda revolución' en tecnologías cuánticas.     Esta revolución empezó a cocinarse hace más de 30 años,  y se basa en la provocadora idea  de que es posible  sacarle partido a las dos características más extrañas y contra-intuitivas de la física cuántica, la "coherencia" y el "entrelazamiento" (entanglement, en inglés).    Lo que os voy a contar ahora sería un gran guión para una película de ciencia ficción y de espías ,  pero  va totalmente en serio.

 La teoría cuántica nos dice que   un sistema físico puede estar en dos  estados  a la vez.  Por ejemplo, un electrón puede estar en dos átomos diferentes a la vez, y algo tan contraintuitivo es la piedra angular que nos permite entender  entender nada menos que el enlace químico que da lugar a  la formación de moléculas.   En la jerga de los físicos cuánticos, el electrón está en una "superposición lineal coherente" de estar en el átomo A y en el átomo B.   Por otro lado, cuanto mayor es un objeto, más difícil resulta conseguir que esté en dos sitios a la vez, de ahí que nosotros no podamos imtar a los electrones,  aprovechar este recurso de la naturaleza y estar a la vez durmiendo y trabajando.  Pero allá por el año 1982 , Richard Feynman,   uno de los héroes de este blog,   especuló sobre la posibilidad de usar las leyes de la física cuántica para hacer simulaciones con ordenadores.     Si un sistema puede estar en dos estados a la vez, quizá sería posible  concebir un bit que estuviese en 2 estados a la vez,  y un ordenador que hiciese muchos cálculos a la vez.  Con un ordenador normal, como el que estás usando para leer esto,   necesitamos dos procesadores para hacer dos cálculos a la vez.  En un ordenador cuántico, un único procesador podría hacer muchos cálculos a la vez,  gracias al 'paralelismo cuántico', término acuñado en 1984 por físico de Oxford,  David Deutsch.

Estas ideas  pasaron de ser especulaciones interesantes a una posibilidad que amenazaba la ciberseguridad mundial, cuando  en 1994 el profesor de matemática aplicada de  MIT  Peter Shor propuso un algoritmo  que  resolvía un problema que todos aprendemos a hacer en la escuela primaria, pero que resulta un ingrediente esencial en las técnicas convencionales de encriptado de información.   El problema en cuestión es la  factorización de números enteros como producto de números primos.  Por ejemplo, el puedo escribir mi edad, 45, como el producto de tres números primos,  45=3*3*5.   El concepto es sencillo, pero si le pedimos a un ordenador clásico que encuentre los dos números primos  cuya multiplicación es igual a este número de  309 dígitos,

13506641086599522334960321627880596993888147560566702752448514385152651060
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  7236890927563

el ordenador tardará muchos años en conseguirlo.    En cambio, si alguien nos proporciona esos dos números,  el ordenador apenas tardará unos microsegundos en hacer la multiplicación.   La asimetría  gigantesca en la dificultad  asociada a estas dos operaciones, factorizar y multiplicar, es la esencia de los algoritmos de encriptado  utilizados en una buena parte de las telecomunicaciones.    Pues bien, si alguien construye un ordenador cuántico e implementa el algoritmo de Shor,   el tiempo de cálculo se reducirá exponencialmente, con lo que en principio podrá descodificar fácilmente todas las comunicaciones que ahora creemos privadas. 

Así, hace más de 20 años se inició la carrera para construir un ordenador cuántico. La tarea es realmente difícil, porque requiere conseguir dos objetivos  contradictorios. Por un lado, cada uno de los elementos del ordenador cuántico, los bits cuánticos o qbits,  debe estar relativamente  aislados del resto del universo, para poder estar a la vez en el estado "0" y el "1".    Durante décadas hemos aprendido que los objetos cuánticos se comporta como si les diera vergüenza   estar en este estado coherente, o de "indecisión" cuántica. Así, si  no se sienten observados,   preservan la coherencia, es decir, están a la vez en dos estados físicos.  Por otro lado,  el ordenador es un objeto en el que centenares de bits cuánticos deben comunicarse unos con otros, y además,   al final del cálculo ha de ser posible leer su estado. Ambos requerimientos  hacen  difícil preservar la coherencia.

Otra forma de  comprender el desafío que supone  fabricar un ordenador cuántico es la siguiente:  los objetos que se comportan de forma cuántica son muy pequeños, átomos,  moléculas, fotones.   Hacer tecnología integrando dichos objetos es realmente difícil.  Por tanto,  no es tan sorprendente que la estrategia que está logrando grandes avances adopte  un enfoque diferente, usando anillos superconductores que se comportan como bits cuánticos a pesar de que son "enormes" (micras,  es decir, 10 mil veces más grandes que un átomo).   Para ello hay que enfriar estos sistemas a 10 o 15 milikelvin, es decir, una temperatura muy inferior a la del espacio exterior.

Uno de los principales impulsores de esta segunda revolución cuántica  es el fabricante del primer ordenador cuántico comercial, la  empresa privada, D-wave, radicada en Vancouver, Canadá.   Su director científico y co-fundador en 1999,  Eric Ladizinsky,   se refiere al proyecto que están llevando a cabo, como un "mini proyecto Manhattan", dada su complejidad y ambición.  D-wave se financia con fondos de inversores de riesgo, y ya han vendido su primer prototipo a la empresa de tecnología militar y aeroespacial Lockheed  Martin.     Algo fascinante de todo este asunto es que los expertos no se ponen de acuerdo sobre hasta qué punto se puede afirmar que los ordeandores de D-Wave son cuánticos, y en qué medida son más eficaces que los ordenadores clásicos.  De momento los ordenadores de D-wave tienen 512 bits cuánticos, o menos, a comparar con los miles de millones de bits clásicos de un móvil  o una tablet.    Además, los ordenadores cuánticos se programan para resolver problemas muy específicos,  para los que los ordenadores clásicos son muy ineficaces.

El hecho de que en los últimos dos años varios de los gigantes del negocio de la informática y la electrónica, como Intel, Google, IBM y Microsoft,  hayan anunciado fuertes inversiones para construir ordenadores cuánticos es un indicio de que todo este asunto va muy en serio. Eso han debido pensar varios investigadores europeos que han promovido el llamado manifiesto cuántico, solicitando que la Unión Europea lance un programa de inversiones en investigación para permitir que Europa no pierda la ola de la segunda revolución cuántica.    Hace unas pocas semanas IBM anunció que ponía a disposición de la comunidad su pequeño ordenador cuántico de 5 qbits,  de forma que es posible  usarlo remotamente, desde casa.  No hay nada más poderoso que una idea a la que le ha llegado su momento, y ese parece ser el caso de la segunda revolución cuántica.