En las últimas décadas se ha estado investigando y haciendo enormes progresos en el campo de la computación cuántica. Los mayores avances han sido realizados por las grandes empresas, principalmente Google, IBM y Microsoft, que han estado a la carrera por alcanzar la supremacía cuántica. El término de supremacía cuántica hace referencia a un dispositivo de computación cuántica que supera incluso a la mejor supercomputadora y da solución a problemas que ordenadores clásicos no pueden.

En la computación cuántica funcionan las leyes de la mecánica cuántica. Mientras que los bits operan en binario (0 o 1), los bits cuánticos o qubits pueden tomar los valores 0 y 1 al mismo tiempo, o incluso valores intermedios. Esto hace que se puedan realizar varias operaciones a la vez y en mucho menos tiempo que las computadoras clásicas.

La ley de Moore es una relación empírica que expone que el número de transistores en un microprocesador, se duplica cada dos años aproximadamente, y cuanto más pequeño es, se consigue mayor velocidad de proceso. Posteriormente, Moore modificó su ley reduciendo el tiempo a 18 meses, en vez de dos años. Su crecimiento sería de 2 a 1024 en diez pasos (2 elevado a la 1, 2 elevado a la 2, 2 elevado a la 3, 2 elevado a la 4…). Esta ley tiene una limitación, y es que cuando se reduce un microchip a una escala de nanómetros, los electrones se comportan como partículas cuánticas, se produce el efecto túnel y se salen de los canales del circuito por el que circulan. Por lo tanto, los transistores dejan de funcionar y no se puede reducir más su tamaño.

El fin de la ley de Moore podría llegar con la nueva ley de Neven, propuesta por el científico alemán Hartmut Neven, que predice que el crecimiento de los avances en computación cuántica podría ser doblemente exponencial, (2 elevado a la 1, elevado a la 1; 2 elevado a la 2, elevado a la 2; 2 elevado a la 2, elevado a la 3; 2 elevado a la 2, elevado a la 4, y así sucesivamente). El 18 de junio de 2019, la revista Quanta Magazine, de acuerdo con la ley de Neven, preveía que era posible alcanzar la supremacía cuántica en ese mismo año 2019.

Google alcanza la supremacía cuántica

Finalmente, el pasado 20 de septiembre de 2019, Google anunció en el Financial Times, que había alcanzado la supremacía cuántica. Afirman que han creado una computadora cuántica, compuesta por 53 qubits, capaz de realizar cálculos que un ordenador convencional tardaría unos 10.000 años, en tan solo 200 segundos. El 23 de octubre de 2019 se confirmó oficialmente en su artículo Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, publicado por la prestigiosa revista Nature.

El ordenador cuántico de Google se forma de un circuito superconductor que consta de un controlador de microondas para excitar el qubit y un control de flujo magnético para sintonizar la frecuencia. Google ha diseñado un procesador cuántico llamado “Sycamore” que tiene una matriz bidimensional de 54 qubits en donde cada qubit está acoplado con otros cuatro, en una red reticular, como podemos ver en la Figura 3. Aunque uno de los qubits tuvo que desactivarse durante el experimento, ya que no funcionaba correctamente. Este dispositivo realiza cálculos mediante operaciones simultáneas de muchos qubits.

Este procesador se compone de aluminio y un acoplador formado por una pequeña barrera de un material no superconductor, e indio para las uniones entre dos capas de silicio. El chip está conectado a una placa de circuito superconductora y se enfría, utilizando helio líquido, a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (aproximadamente a -273 ºC), para que la disipación de energía no degrade la información cuántica. Esto está unido a través de unos filtros y atenuadores al resto de la electrónica que se encuentra a temperatura ambiente. Esta electrónica, unida por metros de cables, sirve para controlar la acción de los qubits y leer sus resultados. La computadora cuántica “Sycamore” es totalmente programable y puede realizar algoritmos con un propósito general.

Google ha demostrado que su computadora cuántica de 53 qubits realiza un cálculo, creado para demostrar la supremacía cuántica, llamado random circuit sampling, de una forma rápida y eficiente. Se le pide al ordenador cuántico que muestree las posibles salidas de un circuito cuántico aleatorio, que son una serie de acciones que se pueden realizar con un conjunto de qubits. El ordenador de Google consta de 53 qubits y cuando estos atraviesan el circuito, los estados de los qubits se entrelazan y enredan en lo que llamamos superposición cuántica. Según el número de qubits n, tenemos un estado de superposición de 2 elevado a la n, por tanto, se obtiene que los 53 qubits están en superposición de 2 elevado a la 53, estados posibles. Es parecido a tirar un dado, pero en vez de seis posibilidades, tenemos 2 elevado a la 53, o lo que es lo mismo, 9 x 10 elevado a la 15, y no todas tienen la misma probabilidad de ocurrir, algunos números aleatorios aparecen más que otros.

Las críticas de IBM

El rival de Google, IBM, en su artículo Leveraging Secondary Storage to Simulate Deep 54-qubit Sycamore Circuitsha, ha criticado el supuesto avance de Google, ya que dice que su superordenador moderno, el más rápido del mundo, llamado “Summit” (Figura 2), tardaría unos 2,5 días en realizar esos supuestos cálculos. Por lo que casi puede seguir el ritmo de la computadora cuántica, lo que no se corresponde con los 10.000 años que anunciaba Google. También mencionan que el experimento realizado por Google es un procedimiento muy específico y que no tiene aplicaciones prácticas.

No hay evidencias reales de que un ordenador clásico pueda realizar la misma tarea en menos tiempo, ya que el modelo de IBM del superordenador es en gran parte teórico. Además, el mismo cálculo realizado por el ordenador cuántico de Google y por el superordenador de IBM dista de 200 segundos a 2,5 días, en caso de ser correctos los cálculos publicados por IBM. Aunque en IBM afirman que podrían mejorar el superordenador y reducir considerablemente el tiempo de cálculo, de modo que se parezca aún más a lo que hace la computadora cuántica de Google. Hay que destacar que “Sycamore” y “Summit” son dos cosas completamente distintas. “Sycamore” de Google es una computadora basada en las leyes de la mecánica cuántica, y “Summit” es un superordenador moderno, pero que funciona de la misma forma que los ordenadores clásicos que tenemos en nuestras casas.

Algunos científicos especializados en computación cuántica de varias universidades han dicho que IBM no debería invalidar las afirmaciones que Google está haciendo, aunque sí pueda haber exagerado un poco la cifra de los 10.000 años. Y que lo verdaderamente importante es que Google está resolviendo problemas computacionales de una forma diferente a como lo haría un ordenador clásico. Estiman también que seguramente dentro de dos años, se haya logrado construir una computadora cuántica de 70 qubits, y que para que un superordenador funcionase del mismo modo que esta computadora cuántica, tendría que ocupar un tamaño del área de una ciudad entera.

El coste de la computación cuántica

Las computadoras clásicas pueden simular un circuito formado por unos 40 qubits, pero teóricamente ya no pueden competir con las computadoras cuánticas si se trata de un circuito de más de 50 qubits. Aunque IBM insiste en que, si se utilizan optimizadores más avanzados con más espacio para la memoria RAM, podrían tardar en resolver el mismo cálculo que el computador “Sycamore” de Google en 2.5 días o menos. El coste de construcción de “Summit”, la supercomputadora más rápida del mundo, desde noviembre de 2019, fue de unos 200 millones de dólares. Mientras que el computador cuántico “Sycamore”, es mucho más caro aún, ya que los cientos de cables que envían señales de control al chip cuestan 1.000 dólares cada 60 centímetros.

Hoy en día un solo qubit puede costar unos 10.000 dólares y una computadora cuántica útil, solo hardware, podría llegar a los 10.000 millones de dólares.

IBM también tiene prototipos de computación cuántica similares a “Sycamore” de Google incluso una computadora cuántica de uso comercial de 20 qubits. Aunque seguramente, la batalla la termine ganando Google, pero es poco probable que, en un futuro próximo, logre una relación rendimiento-precio que lo haga práctico para utilizarlo con fines comerciales.

¿Cambiará nuestra vida el uso de la computación cuántica?

La computación cuántica ayudará a diseñar nuevos materiales para la construcción de aviones y automóviles, catalizadores que puedan producir fertilizantes de forma más eficiente, medicamentos más efectivos, optimizará el tráfico de las ciudades, etc. Y así como las computadoras clásicas, en sus comienzos, eran muy grandes, y con el transcurso de los años fueron reduciendo su tamaño y ampliando su efectividad, con las computadoras cuánticas se espera que ocurra algo similar. Es muy probable que la computación cuántica y la computación clásica convivan durante muchos años, ya que tendrán fines completamente distintos.

A nivel de usuario, probablemente sigamos utilizando ordenadores convencionales ya que nos serán suficientes para las tareas del día a día, a no ser que nos dediquemos a la investigación. Los computadores cuánticos podrán revolucionar muchas áreas de conocimiento, no obstante, es posible que pasen entre 10 y 20 años para que la primera computadora cuántica comercial esté disponible.

Beatriz Varona, Quantum Computing Research & Rhinno Project en Techedge Group