Computación cuántica para todos

Retomo el blog con un tema que me tiene  absorbido desde hace ya más de un año y medio, los ordenadores cuánticos.  Estos han dejado de ser  una promesa para dentro de 20 años,  desde que   hace dos   IBM pusiera en marcha la plataforma IBM Quantum experience. Este   sistema on-line  permite a cualquiera acceder de forma remota y gratuita  a los primeros ordenadores cuánticos de 5 qubits, que se programan de forma sencilla mediante un interface   gráfico muy  intuitivo.  Además,  IBM también proporciona acceso remoto a un ordenador cuántico de 16 qubits, que ha de ser programado mediante el lenguaje QISKIT (quantum information science KIT).  Finalmente, si alguien quiere tener su propio ordenador cuántico en casa,  IBM  acaba de anunciar  su comercialización  aunque supongo que en este caso el precio no está al alcance de cualquiera. 

Plataforma de IBM quantum experience para programar un ordenador cuántico de 5 qubits. 

 De momento los ordenadores cuánticos ocupan un tamaño más grande que un calentador de 200 litros,   funcionan a una centésima de grado por encima del cero absoluto  y tienen  unas prestaciones limitadas. Apenas tienen 20  bits cuánticos,  en los que  se pueden ejecutar un número limitado de instrucciones antes de que pierdan la "magia cuántica" que les confiere su poder,  la  coherencia cuántica.   Alguien podría pensar que estos cacharros enormes  e imperfectos son un montón de chatarra, pero a mí me recuerdan a  aquellas máquinas de los años 40 y 50, cuando todavía no se había inventado el transistor, y que sentaron las bases de la revolución electrónica.  El transistor, el circuito integrado, el ordenador personal, internet, y el teléfono móvil fueron llegando más tarde.   Por tanto,  bien podría ocurrir que estemos en el comienzo de una nueva secuencia de innovaciones tecnológicas que nos lleven en un futuro a tener ordenadores cuánticos en el bolsillo.

El ordenador cuántico está metido en el fondo del tanque con forma de calentador eléctrico. En lugar de agua caliente, el contenedor contiene circuitos a temperaturas criogénicas.  El espacio que contiene los bits cuánticos  está refrigerado a una centésima de grado por encima del cero absoluto.  Esta imagen ha sido tomada de https://bgr.com/2018/04/05/ibm-q-network-quantum-computing-startups/https://bgr.com/2018/04/05/ibm-q-network-quantum-computing-startups/

¿Qué se puede hacer con uno de estos ordenadores cuánticos ahora mismo?.  De momento, debido al reducido número de bits , y más importante, debido a la corta vida de su coherencia cuántica,  los ordenadores cuánticos apenas tienen aplicaciones que  queden fuera del alcance  de un ordenador normal.  Varios grupos de investigación en el mundo, incluido  que el mío, estamos explorando cómo usarlos para simular las propiedades de los electrones en moléculas y sólidos. Como dijo Feynman, estamos usando sistemas cuánticos para estudiar otros sistemas cuánticos.   

¿Qué problemas esperamos que puedan resolver más adelante?.   Hay muchos problemas que no pueden ser resueltos ni con los mejores ordenadores convencionales.  Además del modelado de moléculas de interés biológico y farmacéutico, que podría acelerar el descubrimiento de medicinas, hay otra clase de problemas que permanecen fuera del alcance de los ordenadores convencionales, los problemas de optimización. ¿Cuál es la mejor manera de organizar el reparto de aviones y tripulaciones en una compañía aérea?.  ¿Y la mejor forma de llevar repartir los millones de envíos en una empresa de transporte? ¿Y el traslado de enfermos crónicos en ambulancias? .  Todos estos problemas tienen en común que dependen de un gran número de variables que dan lugar a un espacio de posibilidades  casi  ilimitado.  Sabemos que los ordenadores cuánticos pueden gestionar esa información de forma mucho más eficaz que los ordenadores normales.   Teniendo en cuenta el volumen de negocio de compañías de aviación y transporte,  una mejora de un 1%  en sus sistemas de distribución  podrían suponer unos beneficios gigantescos.

Las expectativas sobre estas nuevas tecnologías son muy altas, y el hecho de que Intel, Microsoft, IBM, Google estén llevando a cabo inversiones millonarias para desarrollar ordenadores cuánticos es prueba de ello.  Para los estudiantes de Física, y ramas afines,  esta situación supone una oportunidad profesional excelente. Aprender a programar ordenadores cuánticos es fácil para un físico, y puede suponer encontrar un buen trabajo en un este mercado emergente.  Como dicen los de IBM, are you quantum ready?

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
 48595338339402871505719094417982072821644715513736804197039641917430464965
  89274256239341020864383202110372958725762358509643110564073501508187510676
  59462920556368552947521350085287941637732853390610975054433499981115005697
  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.  

La película más pequeña del mundo

Las portadas de los medios de comunicación  digitales  de medio mundo se hicieron eco  el 1 de Mayo de la llamada "película más pequeña del mundo", hecha tomando imágenes de unos centenares de átomos mediante un microscopio de efecto túnel.      La película, titulada "A boy and his Atom" es otro de las "intangibles" que comentábamos el otro día,  salido del laboratorio de Andreas Heinrich en el centro de investigación que tiene IBM en San José, California.   Como experimento, no tiene ninguna aplicación práctica para el usuario, pero IBM se beneficia de una visibilidad que ninguna campaña de publicidad le proporcionaría. 

Al igual que cualquier otra película,  "A boy and his Atom" es una sucesión de imágenes, pero a diferencia de las películas convencionales, cada imagen está hecha por unos centenares de átomos, en realidad de moléculas de CO,  depositados en una superficie de Cobre.  El tamaño del "escenario" es apenas de unos 10 por 10  nanómetros, que vendido al precio de los pisos en Manhattan, no llegaría a un céntimo de peseta.  Ningun microscopio óptico tiene resolución para tomar  imágenes de algo tan pequeño, ya que la longitud de onda de la luz es muchísimo mayor que el tamaño  de los átomos.  

Cuando se trata de "ver" átomos,  estamos ciegos y necesitamos un bastón para tocarlos.  El bastón es una aguja metálica afiladísima cuyo movimiento se controla de manera extraordinariamente precisa, a través de una ingeniosa combinación de materiales piezoeléctricos controlados por un ordenador.  La punta de la aguja se puede acercar hasta una distancia de apenas  una décima de nanómetro (1 Amstrong). Una vez allí se puede hacer pasar corriente eléctrica entre la punta y la superficie. Para ello los electrones tienen que superar una barrera de potencial, la que los mantiene confinados en la punta y la superficie,  a través de un efecto mecánico cuántico conocido como "efecto túnel".  Por virtud de este efecto, la cantidad de corriente que puede pasar entre la punta y la superficie es extraordinariamente sensible  a la distancia que los separa.   Por tanto,  se puede hacer un mapa de la superficie con tal precisión que, si hay un átomo que sobresale,  es detectado por nuestro bastón, al que llamaremos STM, por sus siglas en inglés: Scanning Tunneling Microscope. 

Desplazando el bastón por toda la superficie se  obtiene información  sobre su topografia, que se representa en forma de mapa o imagen en  la pantalla del ordenador, para poder verlo con nuestros ojos.    Pero el bastón, es además  usado  para mover los átomos.  Así, para hacer la película,  Heinrich y 3 colegas más, trabajando por turnos durante dos semanas, movian los átomos en la superficie para ponerlos donde especificaba un guión del departamento de PR de IBM,   le sacaban la "foto" con el STM, y procedían a mover los átomos de nuevo, para tomar la siguiente, hasta un total de 242 imágenes,  para hacer un corto de poco más de un minuto. 

La campaña "viral" resultante,  es otro ejemplo de cómo la actividad científica guiada por la curiosidad, y no por las aplicaciones, o en este caso por la ciencia como algo  lúdico también tiene un impacto económico positivo.  Si en lugar de llenar portadas con nuestros 6 millones de parados, nuestros lios políticos,  nuestros aeropuertos sin aviones, nuestro parlamento asediado,  pudieramos enseñarle al mundo los resultados del talento de nuestros científicos,  algo contribuiríamos a mejorar la marca España. 

Visitando la fábrica de intangibles de IBM

IBM, la conocida multinacional que se ha re-inventado a si misma varias veces en las últimas décadas para poder sobrevivir a la feroz competencia que han traído las sucesivas revoluciones tecnológicas, tiene varios centros de investigación fundamental.  El otro día tuve el inmenso placer de visitar uno de esos laboratorios, en San José,   California.  A 20 minutos de Palo Alto,  Mountain View y Cupertino, sedes de Stanford, Google y Apple,  y coronando una colina rodeada de varias hectáreas de terreno virgen, se erige la sede de IBM-Almaden.   

Fue en lo alto de esa colina donde Stuart Parkin inventó las válvulas de spin, que permitieron a IBM liderar el mercado de discos duros en la década de los 90.   El beneficio económico de lo que hacen sus compañeros de pasillo,   en el laboratorio de al lado, es más difícil de entender,  pero nos enseña una lección importante.  En 3 pequeñas habitaciones con menos de 40 metros cuadrados,  Don Eigler construyó a final de los años 80 un microscopio de efecto túnel (STM) con el que hizo realidad varios de los sueños que Feynman había descrito 30 años antes, en la legendaria charla "There is plenty of room at the bottom".   En aquel laboratorio Don Eigler y sus colegas manipularon los átomos con el STM, y fabricaron los primeros "legos" en los que cada pieza era un átomo.  Aquellas estructuras, denominadas "corrales cuánticos",  contenían electrones   cuyo caracter ondulatorio, predicho por la mecánica cuántica,  quedó retratado por el STM.

Ahora Don Eigler se ha retirado, y el testigo lo ha tomado Andreas Heinrich y su equipo.  Aunque en apariencia siguen haciendo un trabajo muy parecido,  crear minúsculas estructuras de unos pocos átomos, su objetivo es diferente.  Los experimentos de Heinrich permiten entender las reglas del magnetismo a escala atómica. Así, el equipo de Heinrich ha estudiado el magnetismo de un único átomo magnético, y luego el de una pareja, y luego el de un trio, un cuarteto, así hasta 12 átomos.  Los experimentos de Heinrich han revelado la diferente "personalidad magnética" de los átomos. Así,  y de forma sorprendente,  un átomo de hierro no se comporta como un pequeño imán, por culpa de un efecto cuántico conocido como  tuneleo  de spin, y en contraste con  un único átomo de manganeso.    Más interesante todavía,  al poner juntos varios átomos de hierro, formando una cadena,  el tunelaje cuántico desaparece y los átomos de hierro son magnéticos, como ocurre en las estructuras macroscópicas a las que estamos acostumbrados.

Todos estos experimentos se hacen en una cámara de alto vacio, a una temperatura inferior a 270 grados bajo cero, en un equipo que llena una mesa de 4 metros cuadrados.  Definitivamente,  otra cosa de físicos locos que "no vale para nada", como contaba en  otra entrada que le pasa al Boson de Higgs,  nada que puedas vender fácilmente en el super.  Le pregunté a Heinrich cuál era el beneficio económico de IBM haciendo esto, no olvidemos que IBM no es algo público, ni siquiera una  empresa de mamandurrias como la que da empleo a nuestros ex-políticos y miembros de la familia real.  IBM sobrevive en un mercado muy competitivo, ¿para que gastan dinero en estructuras atómicas "intangibles"?.

La respuesta: P.R.   Para nuestros políticos, PR se lee "pi" "ar",  es la sigla de Public Relations.  Política de imagen.  El objetivo de IBM con esta y otras unidades de investigación es obtener publicidad en los medios, como el New York Times,  para promover la imagen de la compañía, vinculándola a éxitos científicos, al concepto de vanguardia tecnológica y la idea de que los empleados de IBM son gente muy inteligente y muy preparada.   Así que,  a nuestros políticos y tomadores de decisiones, cuando se pregunten por qué tienen que seguir inviertiendo en I+D, recuerden esta historia y piensen en la marca España. Y en la marca IBM.