Utilizando las propiedades más fundamentales de la materia, la computación cuántica, basada en el bit cuántico, el cúbit, promete lograr una capacidad de computación impensable para los ordenadores clásicos, con utilidades en la resolución de problemas complejos en ingeniería, logística, química cuántica y finanzas, entre otros sectores. En España varios proyectos trabajan en este camino con la implicación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Se trata de investigaciones que promoverán la innovación y la competitividad española y que en muchos casos están financiadas por el Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia, los fondos europeos destinados a la recuperación de la pandemia de covid-19.

Más de 12 grupos de investigación del Consejo trabajan en este campo, en disciplinas como la programación cuántica, el diseño de cúbits o de tecnologías habilitadoras. El gran reto es conseguir pasar con éxito del ámbito de lo teórico y lo científico a las aplicaciones que puedan impactar en nuestra vida cotidiana y liderar la emergente industria cuántica (en los últimos años grandes empresas como Google, IBM o Amazon se han embarcado en esta aventura). “Estamos explorando cuáles pueden ser las utilidades del ordenador cuántico, en qué cálculos puede ser mejor que un ordenador clásico [la ventaja cuántica]”, explica Juan José García Ripoll, investigador del Instituto de Física Fundamental (IFF) y coordinador de la Plataforma de Tecnologías Cuánticas del CSIC, que reúne a diferentes grupos de investigación, empresas y universidades para resolver problemas concretos usando tecnologías cuánticas, “es como si tuviéramos un martillo y estuviéramos buscando el clavo”.

El proyecto Quantum Spain, promovido por el Gobierno, implica a empresas y sector público, 25 centros diseminados por buena parte del territorio nacional, en la consecución de un ordenador cuántico de altas prestaciones que la comunidad investigadora podrá utilizar, entre otras cosas, en el desarrollo de la inteligencia artificial (IA). La inversión inicial, en 2021, fue de 22 millones de euros, que se canalizan a través de la Red Española de Supercomputación (RES). No hay que imaginar los ordenadores cuánticos como nuestros actuales laptops personales, al menos en un futuro cercano, sino como máquinas complejas que funcionan en condiciones muy particulares. Por ejemplo, necesitan estar muy fríos, cerca del cero absoluto (-273 ºC). Sus utilidades son muy específicas, científicas o industriales (como los primeros ordenadores clásicos que, como el Eniac, ocupaba una habitación entera), no esperemos usarlos para aplicaciones de ofimática o videojuegos. Aunque siempre pueden darse cambios disruptivos…

Otro proyecto, llamado Cuco, busca precisamente aplicar la computación cuántica a algunos de los sectores más importantes de la economía española, como energía, finanzas, espacio, defensa y logística. Cuco junta en colaboración público-privada a siete empresas (Amatech, BBVA, DAS Photonics, GMV, Multiverse computing, Qilimanjaro Quantum Tech y Repsol), apoyado por cinco centros de investigación (BSC, CSIC, DIPC, ICFO y Tecnalia), y una universidad pública (Universidad Politécnica de Valencia). Se trata de aplicar lo cuántico allí donde la computación clásica no acaba por resolver los problemas, por ejemplo, a trazabilidad de la información en toda la cadena de suministro, la lucha contra el cambio climático, la observación de la Tierra o la inteligencia de señales.

La computación cuántica también tiene aplicaciones en cuestiones más mundanas, como el sector financiero, que desarrolla el CSIC en colaboración con la entidad financiera BBVA: un equipo de investigadores mixtos que diseñan y testean algoritmos cuánticos útiles en el mundo bancario. Por ejemplo, algoritmos que optimizan la operativa de carteras de inversión, minimizando los gastos de compra y venta de acciones cada vez que se actualizan esas carteras. También algoritmos de logística y tráfico, que mejoran los recorridos de los repartidores, o algoritmos para distribuir fondos a diversas entidades o cajeros automáticos.  

En general, los ordenadores cuánticos son buenos en resolver problemas de optimización, en buscar máximos y mínimos. “Se trata elegir una de entre muchas posibilidades, una que cumpla una serie de requisitos”, dice Diego Porras, investigador del IFF, “por ejemplo una que reduzca al mínimo el riesgo de una decisión o que maximice la rentabilidad de una cartera de inversión”. Este tipo de problemas de optimización son muy exigentes y el ordenador cuántico no sólo puede ofrecer una solución más rápida, sino que también puede dar mejores soluciones, más óptimas, con trayectos más cortos o menores costes en su aplicación. A largo plazo los ordenadores cuánticos podrían romper las claves digitales, por ejemplo, de nuestras tarjetas de crédito, y obligar a un nuevo tipo de criptografía. Si bien los ordenadores cuánticos se parecen mucho a los ábacos, útiles para una limitada variedad de cálculos, en el futuro podría desarrollarse un ordenador cuántico universal, para todo tipo de usos: serán mejores que los supercomputadores clásicos más potentes.

La computación cuántica también tiene utilidades en el pujante campo del aprendizaje automático (el llamado quantum machine learning), por ejemplo, dentro del proyecto Agraria. “Buscamos desarrollar un predictor cuántico para analizar el rendimiento de los cultivos a través de imágenes de satélites en varias bandas del espectro electromagnético”, dice Ángela Ribeiro, investigadora del Centro de Automática y Robótica del CSIC, “así podremos predecir, con solo analizar la imagen, la cantidad de cosecha que dará ese terreno, por ejemplo, en toneladas de maíz”. Es una investigación realizada en colaboración con el grupo empresarial GMV. Está por ver si el método cuántico es más eficiente que el clásico. “El sistema cuántico, por lo pronto, permite trabajar a mayor velocidad y con más información. La computación clásica está llegando a sus límites, así que esperamos obtener estas ventajas de la cuántica”, añade Ribeiro, “este caso de uso, de cierta complejidad, permitirá avanzar en nuestro conocimiento”.

¿Será útil, finalmente, el ordenador cuántico? Si no es así, cosa poco probable, dada la cantidad de aplicaciones y líneas de investigación que están en marcha, siempre se obtendrían otros resultados de utilidad. “Una línea interesante que desarrollamos es la de algoritmos de inspiración cuántica: se trata de crear algoritmos para ordenadores clásicos pero que están inspirados en la forma de funcionar de los algoritmos cuánticos” dice Diego Porras, “ya estamos aprendiendo, ya hay beneficios inmediatos”. Todo depende, también, de cómo sean los ordenadores cuánticos que se desarrollen en los próximos años. Tendrán en torno a los 100 cúbits, pero no solo el tamaño importa, también cómo estén interconectados esos cúbits. Pueden darse ordenadores con menos cúbits pero con mayor calidad y menor ruido, o de muchos cúbits, pero más imperfectos, debido a que es más difícil mantener la coherencia del sistema. Cada uno tendrá sus aplicaciones. “Son diferentes estrategias”, dice Porras.

“España es muy buena a nivel teórico en computación cuántica”, concluye Ripoll, “teniendo en cuenta que hay muy pocos grupos, hay calidad e impacto internacional. Ahora estamos empezando en el ámbito de las aplicaciones, y lo que más cojea es la parte del hardware, de los experimentos”. Al contrario que otros países, España no tiene una estrategia de inversión nacional en tecnología cuántica a medio y largo plazo, pero eso no es óbice para la existencia de una vibrante comunidad de investigadores.

Sergio C. Fanjul / CSIC Comunicación