La computación cuántica avanza gracias a una nueva máquina construida en China. Su nombre es Jiuzhang 2.0 y es un septillón de veces más potente que la supercomputadora más rápida del mundo.

La Jiuzhang 2.0 es un prototipo diseñado en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China por un grupo de investigadores. Con esta máquina se detectaron 113 fotones y de acuerdo con el China Daily es capaz de resolver en un milisegundo una operación que la computadora más rápida tardaría 30 billones de años.

Según sus creadores, esta computadora cuántica podría ser utilizada en tareas que resultan demasiado complejas incluso para las supercomputadoras actuales, por ejemplo, en química cuántica, teoría de gráficos o aprendizaje automático.

Este mismo equipo de investigadores es el responsable de la primera versión de la Jiuzhang, otra computadora cuántica presentada a finales de 2020 y con la cual se detectaron 76 fotones. Por sus números, la Jiuzhang 2.0 resulta bastante más rápida que el prototipo original.

“En comparación con la primera Jiuzhang, hemos mejorado mucho el rendimiento y la eficiencia de la recoleción de fuentes de luz cuántica. Así, aumentamos el número de fotones detectados y demostramos la programabilidad de la computación cuántica basada en el muestro de bosones Gaussianos”, explica Lu Chaoyang, uno de los científicos en el proyecto.

 Un equipo de ingenieros de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China afirma haber conseguido el computador cuántico más poderoso del planeta. Según su prueba, el ordenador chino resolvió en poco más de una hora un problema que el supercomputador tradicional más potente del mundo hubiera tardado ocho años en resolver. Y esto es solo el principio, afirman.

 Según el líder del proyecto Jian-Wei Pan —al que la prestigiosa revista científica 'Nature' calificó como el "padre de lo cuántico" cuando le nombró uno de los 10 grandes científicos de 2017—, su computador cuántico Zuchongzhi ha batido el récord que Google estableció en 2019 para la resolución de un problema similar, pero 100 veces más sencillo que el que ha resuelto la máquina asiática.

China continúa dando sorpresas

Si lo que dicen los científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en su investigación es cierto —y no parece que estén mintiendo—, sería otra muestra más de la hiperaceleración que China está imprimiendo a su desarrollo tecnológico para intentar adelantar a Occidente y conseguir la supremacía en las distintas ingenierías que van a definir el futuro de la humanidad: computación cuántica, inteligencia artificial, energía de fusión, exploración espacial y genética. Esto es algo que hemos observado en las noticias de esta sección, que a veces pensamos en cambiar de Novaceno a Chinaceno.

El computador cuántico de Google batido por los chinos. (Google)

De hecho, no es la primera vez que China bate al resto del mundo en computación cuántica. Ya superó el récord de Google en 2020 —conseguido con cúbits superconductores— con una máquina que utilizaba cúbits fotónicos. Pero aquel computador era experimental y no era programable, como sí lo es Zuchongzhi. La máquina del equipo de Jian-Wei Pan usa cúbits superconductores como la de Google.

Un diagrama del chip cúbit superconductor del Zuchongzhi.

Según el estudio de los ingenieros chinos, Zuchongzhi es un computador cuántico 2D con la capacidad de manipular 66 cúbits simultáneamente. Para resolver este problema —100 veces más complicado que el que Google resolvió en 2019 con su ordenador Sycamore—, Zuchongzhi solo usó 56 cúbits.

Este tipo de problemas —que tienen que lidiar con teoría aleatoria de matrices, análisis matemático, caos cuántico y teoría de la probabilidad— son los test estándar usados para medir la potencia de este tipo de máquinas.

El equipo chino afirma que su computador resolvió este nudo gordiano en solo 1,2 horas: "Estimamos que un supercomputador tradicional usaría por lo menos ocho años [para resolver el mismo problema]". No solo eso, sino que, además, Zuchongzhi es mucho más rápido de lo que este test indica. Eso se debe a que solo ha usado 56 de sus 66 cúbits. En teoría, cada cúbit extra aumentaría la potencia de proceso exponencialmente. En otras palabras: si tenéis hijos, apuntadles a cursos de mandarín con urgencia.

¿Cómo funciona una computadora cuántica?

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La informática cuántica utiliza como unidad básica de información el qubit en lugar del bit convencional. ... Esta particularidad de la tecnología cuántica hace que un qubit pueda ser cero y uno a la vez, y además en distinta proporción.

Los ordenadores cuánticos, por el contrario, utilizan qubits en su lugar, que son partículas subatómicas como electrones o fotones. Generar y administrar qubits representa todo un desafío de ingeniería, y compañías como IBM o Google utilizan circuitos superconductores enfriados casi al cero absoluto para ello, mientras que otras empresas como IonQ, los gestionan atrapando átomos individuales en campos electromagnéticos mediante chips de silicio en cámaras de ultra vacío. En ambos casos, el objetivo es aislar los qubits en un estado cuántico controlado.

Lo más curioso de estos Qubits es que pueden tener los dos estados de procesamiento al mismo tiempo, o ninguno, lo cual los hacen tremendamente difíciles de predecir y todo se basará en aproximaciones hacia un estado u otro.

Los qubits tienen algunas propiedades cuánticas peculiares, y entre ellas la que más nos interesa es que cuando forman grupos, proporcionan una potencia de procesamiento exponencialmente superior a cuando se utilizan bits en sistema binario. Estas propiedades se llaman superposición y entrelazamiento. 

La superposición cuántica

La mayor particularidad de los qubits es que, al contrario que los bits que solo pueden ser unos y ceros, son capaces de tener tres estados: uno, cero, y uno y cero simultáneamente. Esta capacidad de representar varios estados al mismo tiempo es lo que se llama superposición, y para que los qubits lleguen a este estado, es necesario manipularlos con láseres de precisión o rayos de microondas.

Gracias a este fenómeno (que parece imposible, ¿verdad? ¡Pero así funciona la mecánica cuántica!) un ordenador cuántico con varios qubits en superposición puede procesador una ingente cantidad de resultados de cálculo de manera simultánea. El resultado final de un cálculo surge solo una vez que se miden los qubits, lo que inmediatamente hace que su estado se “colapse” a un uno o un cero.

El entrelazamiento cuántico

Los ingenieros pueden generar pares de qubits que están “entrelazados” o “enredados” entre sí, lo que significa que ambos miembros de un par existen en un único estado cuántico. Cambiar el estado a uno de estos qubits cambiará inmediatamente el estado del otro, y esto sucederá incluso si estuvieran separados por largas distancias.

Nadie sabe muy bien cómo funciona exactamente este “enredo”, e incluso el archiconocido Einstein lo definió como una “acción espeluznante a distancia”, pero el caso es que es clave para el poder de computación de los ordenadores cuánticos. En un ordenador convencional, duplicar el número de bits duplicaría su potencia de procesamiento, mientras que en una máquina cuántica se produce un aumento exponencial de su capacidad.

Así, las computadoras cuánticas aprovechan estos qubits enredados en una especie de cadena (Daisy-chain) para hacer su magia. La capacidad de estas máquinas para acelerar los cálculos utilizando algoritmos cuánticos especialmente diseñados para esto es la razón de que haya tanta expectación sobre su potencial.

Esa es la buena noticia; la mala es que los ordenadores cuánticos son muchísimo más propensos a cometer errores de cálculo que los ordenadores normales debido a otro fenómeno: la decoherencia (o incoherencia).

La incoherencia cuántica

La interacción de los qubits con su entorno a veces causa que su comportamiento cuántico decaiga y termine por desaparecer, en lo que se llama la incoherencia o decoherencia cuántica. Su estado cuántico es extremadamente frágil, y la más mínima vibración o cambio de temperatura –conocido con el término “ruidos” en este argot- pueden hacer que los qubits se “caigan” de su estado de superposición antes de que hayan terminado de realizar su trabajo. Por este motivo, es de suma importancia que un ordenador cuántico esté totalmente aislado del ambiente (humedad, cambios de temperatura, vibraciones, etc.) y por ello es necesario meterlos en grandes refrigeradores y cámaras de vacío.

No obstante, estas cámaras y refrigeradores no son perfectos y al final el ruido causa errores en los cálculos. Los algoritmos cuánticos inteligentes compensan algunos de estos errores, y añadir qubits de sobra en cada cálculo también ayuda, pero según calculan, es necesario tener miles de qubits estándar para crear un único qubit 100% confiable, conocido como “qubit lógico”. Esto, por otro lado, reduciría muchísimo la potencia de computación total.

Y ahí está el problema: hasta ahora, los investigadores no han sido capaces de crear entornos de más de 128 qubits estándar, por lo que hasta ahora ha sido imposible crear un solo qubit lógico. Según calculan, estamos a décadas de poder conseguirlo, de hecho.

¿Qué uso tiene un ordenador cuántico?

Una de las aplicaciones más prometedoras de estos sistemas es simular el comportamiento de la materia a nivel molecular. Los fabricantes de automóviles como Volkswagen o Daimler ya utilizan ordenadores cuánticos para simular la composición química de las baterías de los coches eléctricos para buscar maneras de mejorar su rendimiento, y las compañías farmacéuticas los emplean para analizar y comparar compuestos que podrían conducir a la creación de nuevos medicamentos.

Las máquinas son también excelentes para resolver problemas de optimización, ya que con su potencia de cálculo son capaces de analizar un gran número de posibles soluciones para cualquier problema. Por ejemplo, la compañía Airbus los utiliza para calcular rutas de ascenso y descenso más eficientes para sus aviones, y Volkswagen ya ha presentado un servicio que calcula las rutas más óptimas para autobuses y taxis en las ciudades a fin de evitar atascos. Muchos investigadores también creen que la computación cuántica ayudará a desarrollar la Inteligencia Artificial a niveles que no podemos ni imaginar (hola, Skynet).

En cualquier caso, todavía quedan muchos años –décadas seguramente- hasta que los ordenadores cuánticos puedan ser totalmente viables, y seguramente todavía más tiempo hasta que se estandarice su utilización. De ahí a que tengamos ordenadores cuánticos en nuestros hogares, seguramente todavía falte más de un siglo.

Realmente todo depende de la tecnología y cuánto se invierta en ella, pero por ejemplo, un ordenador cuántico no podría hacer ciertas tareas actuales que un PC común resolvería sin problema. Otro tema más es el software, ya que se requiere una serie de programaciones totalmente distinta y TODO el sector tendría que migrar, algo que no se puede hacer en unos pocos años.

Más allá de ciertos entornos la realidad es que el ordenador cuántico está lejos de llegar a nosotros, los usuarios comunes, pero contad con que en algún momento terminará llegando… ¿cuándo? No se puede saber, pero incluso los más optimistas dicen que seguramente no lo veamos en este siglo.