Desde los ábacos en uso en la antigua civilización Sumeria, hasta las granjas de computación que hoy en día albergan los modelos de lenguaje de inteligencia artificial (IA), todas las máquinas de computación que hemos fabricado se han basado en los principios de la mecánica clásica.

Sin embargo, hace aproximadamente cien años se postuló una nueva teoría física que transciende los límites de la mecánica clásica: la mecánica cuántica. Gracias a ella hemos podido explicar fenómenos físicos fundamentales como la estructura de los átomos o la naturaleza de los enlaces químicos, y desarrollar nuevas tecnologías como el transistor o el láser. Y a medida que hemos ido avanzando en nuestro entendimiento de esta teoría nos hemos dado cuenta de que también tiene profundas implicaciones en la capacidad de los ordenadores que podemos construir.

Según la mecánica cuántica, lo que realmente existe son los llamados estados cuánticos. Estos estados contienen más información de la que podemos medir. Al intentar medir los estados cuánticos con aparatos clásicos, solo podemos obtener una versión parcial de su información, perdiendo de forma irreversible el resto. En los años 80, científicos como Richard Feynman propusieron una forma de explotar las características únicas de los estados cuánticos: si hacemos interactuar los estados entre ellos, sin medirlos, es posible procesar una mayor cantidad de información. Había nacido la idea de la computación cuántica.

Para comprender el potencial de un ordenador cuántico es útil contrastar sus capacidades frente a las de los ordenadores clásicos que usamos actualmente. Mientras que los ordenadores clásicos basan su información en el bit, que solo puede ser 0 o 1, la computación cuántica utiliza el cúbit, que puede ser simultáneamente 0 y 1 (un fenómeno conocido como superposición).

En un ordenador clásico, usando una cantidad de bits podemos representar un solo número dentro de un rango (por ejemplo, con 2 bits podemos representar un número del 1 al 4). En cambio, con un ordenador cuántico, con la misma cantidad de cúbits podemos representar simultáneamente, en superposición, todos los números posibles dentro de ese rango (con 2 cúbits, tendríamos 1, 2, 3, 4 representados a la vez). Y a medida que aumentamos el número de cúbits, aumenta exponencialmente la cantidad de información que podemos representar. Un ordenador cuántico con un número suficientemente grande de cúbits nos permite procesar información a escalas inabordables para cualquier ordenador clásico, presente o futuro.

Sin embargo, los ordenadores cuánticos también tienen que lidiar con una limitación fundamental: al medir el resultado de las computaciones, el estado cuántico colapsa y solo obtenemos un único resultado. Por tanto, un paso vital en el proceso de computación es eliminar de la superposición todas las soluciones erróneas de manera que al medir obtengamos la solución correcta. Para lograr esto, hemos descubierto algunos algoritmos, como la Transformada Cuántica de Fourier, que son costosos a nivel computacional y solo pueden ser aplicados eficazmente en algunos problemas.

Pensar en un ordenador cuántico como un superordenador capaz de probar todas las soluciones de cualquier problema en paralelo no es una buena analogía. La realidad es compleja y limitada. Los ordenadores cuánticos son máquinas complejas de programar que permiten abordar algunos problemas imposibles para los ordenadores clásicos (como en la factorización de enteros, usada en criptografía), acelerar otros problemas (como en la búsqueda en bases de datos desordenadas), y en otros casos, no aportan ventaja alguna.

Aunque los primeros ordenadores cuánticos no tendrán un impacto directo en todas las áreas de negocio, si se espera que tengan un gran impacto en áreas específicas donde la simulación a nivel cuántico es crucial.

Entre las áreas de negocio donde se espera un mayor impacto se incluyen: ciencia de materiales: asistiendo en el descubrimiento de nuevos materiales para baterías y otras tecnologías energéticas; química: acelerando la industria de diseño de fármacos y el desarrollo de catalizadores más eficientes, y problemas de optimización: con posibles aplicaciones en logística, transporte y gestión de porfolios financieros.

El impacto en otras áreas como la criptografía o el potencial uso en el campo de la IA requerirá de ordenadores cuánticos potentes y se espera que ocurra en un horizonte temporal más lejano, una vez que el campo haya madurado. Actualmente, existe una amplia gama de tecnologías compitiendo para implementar un ordenador cuántico útil.

Entre ellas se encuentran tecnologías basadas en superconductores, trampas de iones, espines en silicio, fotónica, o átomos neutros, entre otras. Todas estas tecnologías tienen en común su actual estado experimental, con prototipos con cien cúbits o menos, y diseños más propios de un laboratorio que de un producto industrial.

Para resolver problemas reales, los ordenadores cuánticos del futuro necesitarán millones de cúbits operando con un grado de precisión extremadamente alto. Por tanto, el mayor reto para los ingenieros cuánticos es escalar estos complejos sistemas a un tamaño diez o cien mil veces mayor que el actual. Para ello, será clave la capacidad de escalado de la tecnología empleada en los procesadores cuánticos.

En el caso de tecnologías como los superconductores, las trampas de iones o la fotónica, lograr ese millón de cúbits probablemente requiriera de procesadores de muy grandes dimensiones. Procesadores que requerirían de instalaciones del tamaño de un edificio para ser albergados y que tendrían un coste de operación anual de decenas de millones de euros. Y esto tan solo para implementar un ordenador utilizable por un único usuario a la vez.

Un ordenador cuántico del tamaño de un edificio podría tener un papel similar al de los superordenadores actuales, cuya gestión suele estar en manos de gobiernos y grandes organismos públicos. Su impacto en la sociedad sería sin duda importante, pero para que los ordenadores cuánticos realmente alcancen su potencial transformador es necesario reducir su tamaño y coste de operación. Una de las tecnologías más prometedoras para lograrlo es la de cúbits de espín en silicio.

Esta tecnología utiliza versiones modificadas de los diminutos transistores existentes en los chips de silicio CMOS, la misma tecnología detrás de la mayor parte de la electrónica moderna, para implementar cúbits. Comparado con otras tecnologías, estos cúbits son mucho más pequeños y pueden ser integrados en el mismo chip con circuitos electrónicos, resultando en sistemas muy compactos.

Extrapolando los resultados actuales obtenidos con cúbits de espín en silicio, es posible imaginar un procesador cuántico con millones de cúbits contenido en un chip de unos pocos centímetros cuadrados. El chip, a su vez, estaría integrado en un sistema de refrigeración criogénico. Todo el sistema ocuparía un espacio equivalente a varios racks de servidores.

Avanzar a una nueva era de la computación, donde podemos abordar problemas imposibles para nuestras capacidades actuales, requiere encontrar una nueva forma de construir ordenadores. La carrera tecnológica para construir un ordenador cuántico útil está entrando en una fase decisiva. Los avances técnicos están llegando cada vez con mayor rapidez, y la financiación del sector aumentando.

España es uno de los países europeos liderando este esfuerzo de investigación y desarrollo, con instituciones punteras como el CIC Nanogune en San Sebastián o el Instituto de Microelectrónica de Barcelona, y un naciente ecosistema empresarial que mezcla start-ups con grandes empresas internacionales. Es un momento crucial para impulsar y fortalecer nuestra capacidad y asegurar un papel clave en la carrera hacia la era cuántica de la computación.

***Alberto Gómez Saiz es director de Diseño de Circuitos Integrados en Quantum Motion.