El asalto de la computación cuántica, relatada por uno de sus principales protagonistas

Gordon Moore, cofundador de Intel, estableció en 1965 un principio que hasta hoy se mantiene vigente: cada 18 meses se duplicará la cantidad de transistores dentro de un circuito. En 2007 puso fecha de vencimiento a su ley: "Dejará de cumplirse dentro de 10 o 15 años".

El procesador de una computadora moderna está compuesto por 1.400 millones de transistores en un espacio de 177 milímetros cuadrados. Allí, cada transistor mide apenas 22 nanómetros, esto es, una mil millonésima parte de un metro. La nueva generación de procesadores de Intel lleva la medida a 14 nanómetros.

Pero llegará un momento en donde reducir aún más el tamaño de un transistor será imposible ya que dejarán de funcionar o comportarse de manera adecuada. De acuerdo con IBM, esto sucedería cuando la tecnología alcance los 7 nanómetros.

Esto es así, entre otras, por dos razones: las leyes de la física y la naturaleza del silicio, material que compone los chips. En pocos años, la reducción de los tamaños de fabricación llegará a un límite y desaparecerán los beneficios que se obtienen con cada nueva generación: menor costo y consumo energético y mayor velocidad de procesamiento.

Eso es lo que vio Moore en 2007, un punto en el que tanto la industria como la comunidad científica trabajan para superar mostrando sus mejores alternativas.

"No hay una fecha determinada para que el avance termine, pero las actuales escalas de transistores ya requieren de conocimientos de mecánica cuántica para seguir avanzando".

Quien habla es Leonardo DiCarlo, un argentino radicado en Holanda y profesor de física en la Universidad Tecnológica de Delft, considerado una eminencia con sus apenas 38 años. En 2009, mientras terminaba sus estudios en la Universidad de Yale, EEUU, creó en equipo el primer procesador cuántico de estado sólido. "Se había hecho en sistemas atómicos y moleculares, pero logramos crear un miniprocesador con un circuito integrado", menciona.

En otras palabras, el equipo consiguió desarrollar un incipiente "cerebro" para una computadora cuántica. "El atractivo de nuestro procesador es ser un dispositivo de estado sólido completo, un chip", dijo y de inmediato agregó: "cuidado, no se puede concluir que una computadora cuántica vaya a reemplazar a una notebook tradicional".

¿De qué sirve entonces la computación cuántica? Antes hay que avanzar sobre algunos puntos.

La física cuántica es tan apasionante como compleja de entender en una primera, segunda y quizás tercera lectura. En el mundo de las partículas, las leyes de la física no suelen ser las mismas con las que convivimos a diario. Por ejemplo, objetos que pueden estar en dos lugares o estados al mismo tiempo o entrecruzarse para permitir una nueva manera de manejar la información.

En los procesadores tradicionales, la información se almacena y procesa empleando bits. El bit es la unidad de información más pequeña de la computación clásica. Así como una luz puede encenderse o apagarse, un bit puede tener solo uno de dos valores: 1 o 0. Eso podría leerse también como Sí/No; Lleno/Vacío; Caliente/Frío o Abierto/Cerrado. Ya sea para hacer una suma o reproducir una película, en una computadora tradicional todo se reduce a unos y ceros.

Lo que el bit es para una computadora tradicional, lo es el qubit o cubit (quantum bit o bit cuántico) para la cuántica.

DiCarlo explica que "un bit cuántico no solo puede existir en el estado 0 o 1 sino que también puede estar en superposición de los dos, es decir, puede ser 0 y 1 a la vez". Esta propiedad permite a las computadoras cuánticas realizar cálculos en paralelo usando el mismo hardware.

Por ejemplo, para evaluar una función f(x) para todos los valores de x posibles, un procesador clásico no puede más que evaluar la función para un valor de x a la vez. En cambio, un procesador cuántico puede primero crear una superposición de todos los valores de x y después evaluar la función una sola vez. Si x tiene dos bits (4 posibilidades), se gana por un factor de 4. Si se tiene tres, se gana por 8. Claramente, se gana exponencialmente.

El ejemplo más claro para entender este principio es la diferencia entre una computadora clásica y una cuántica al descifrar una contraseña: la primera procesaría distintas combinaciones, una por una, hasta encontrar la solución. El qubit permitiría probar todas las combinaciones al mismo tiempo.

DiCarlo apunta que "una computadora cuántica podrá acelerar ciertos tipos de cálculos, como la factorización de números (en cuya dificultad se basa la codificación actual) y la búsqueda en bases de datos".

Se estima que una computadora cuántica sería mucho más rápida que las actuales, al punto que podría descifrar las formas de codificación que se emplean para proteger transacciones financieras y de negocios.

Un gran beneficio para investigadores sería el uso de una computadora cuántica para simular otros sistemas cuánticos. Las computadoras actuales solo pueden simular sistemas cuánticos muy simples.

Especificar el estado cuántico de unos 200 qubits requeriría más bits clásicos que el número de átomos en el Universo. Obviamente, no habría suficiente memoria (RAM) para hacerlo con una computadora o supercomputadora actual, o con todas juntas.

En términos prácticos, una PC totalmente equipada se limita a la simulación de una cuántica con unos 25 qubits y es lentísima al hacerlo.

"La computación cuántica también podría tener un importante beneficio en el desarrollo de la medicina al simular estructuras y reacciones químicas", agrega y de inmediato pone paños fríos: "Aún falta mucho para eso. Construir una computadora cuántica lo suficientemente potente es un gran desafío científico y tecnológico".

Otra aplicación importante de la tecnología cuántica es la comunicación. La información cuántica no se puede copiar inofensivamente, las leyes de la física imponen que cada intento de copia deja su marca indeleble y corrompe la información. Esto se puede aprovechar para garantizar una seguridad absoluta en la transmisión de datos. De hecho, ya existen compañías en los EEUU y Suiza que venden links cuánticos de punto a punto.

El reto para los científicos es que la información cuántica es muy frágil. En los circuitos de DiCarlo, el tiempo de decoherencia hoy es del orden de 100 microsegundos. "En 2009 teníamos apenas 1 microsegundo", agrega DiCarlo con mucho entusiasmo sobre los constantes avances.

A pesar del tiempo limitado, aquel sistema procesó dos algoritmos. El primero fue el de búsqueda de Grover, donde el procesador llega a asociar un número telefónico con una persona buscada usando una mini guía de teléfono desordenada, y el segundo el de Deutsch-Jozsa, para determinar si el lanzamiento de una moneda es imparcial o no.

Ese sistema poseía dos qubits. En Delft ya consiguieron elevar a 5 el número de bits cuánticos. "Aunque estos procesadores no son muy potentes todavía, demostraron claramente que utilizan el principio de superposición cuántica para procesar información de manera eficiente. Tenemos la ambición de llegar a 8 qubits en un año y alcanzar 17 en dos", menciona DiCarlo.

Para aprovechar el poder de la computación cuántica, los científicos deben minimizar los errores de cálculo causados por factores como la radiación electromagnética, el calor y los defectos de los materiales.

"Ya no es tan desafiante hacer un procesador con un puñado de qubits. Utilizamos técnicas de microfabricación muy similares a las que se usan para fabricar circuitos de PC. Una diferencia importante es que nuestros circuitos integrados están basados en el aluminio y el niobio y se vuelven superconductores a las temperaturas de nuestros experimentos: unos 10 miligrados centígrados por encima del cero absoluto (-273°)", detalla DiCarlo.

Llegar a estos extremos de temperatura ya tampoco es muy complicado. Se usan refrigeradores comerciales que funcionan prácticamente con el presionar de un botón.

"El desafío, más allá de fabricar el chip y enfriarlo, es controlarlo", resume. Esto se hace usando equipos electrónicos no cuánticos a temperatura ambiente. Efectuar este control con precisión requiere más astucia en ingeniería a medida que el número de qubits aumenta.

Es por ello que el gran enfoque del equipo de DiCarlo en la Universidad Tecnológica de Delft, una de las pioneras en computación cuántica, es la versión cuántica de corrección de errores, para que "una computadora cuántica pueda seguir trabajando y obtener resultados correctos sin que el hardware cuántico y clásico sean perfectos".

A medida que se producen avances crece el interés de gobiernos y empresas por la computación cuántica. Además de los rumores sobre un dispositivo de ese tipo orientado a la seguridad de los EEUU, países como Canadá, Inglaterra, Holanda, Suiza y Rusia tomaron la iniciativa para crear centros para el desarrollo de tecnologías cuánticas, muchos de ellos uniendo universidades con industria.

A esas iniciativas deben sumársele los crecientes aportes de compañías como IBM, Microsoft y Google, entre otras, para un más rápido desarrollo de la tecnología cuántica.

"Todas las universidades de Holanda son estatales, por lo que nuestras investigaciones se desarrollan con aportes del gobierno holandés y fondos de la Comunidad Europea", remarca DiCarlo.

"Somos científicos y por ello buscamos publicar nuestros avances en revistas internacionales como Nature y Science. Esa es la manera más directa de compartir nuestros resultados", agrega.

En medio de esta tendencia han surgido empresas como D-Wave, que vendieron equipos a gigantes como Google. De origen canadiense, las computadoras cuánticas que claman tener parecen no ser tales para la comunidad científica.

Un estudio publicado en Science determinó que el modelo D-Wave 2, a pesar de poseer algunos efectos cuánticos, no es más rápida que una computadora actual.

Buenos Aires es la sede de la 27ma Conferencia Internacional sobre Física a Bajas Temperaturas, que se desarrolla cada tres años alrededor del mundo.

DiCarlo recibirá el premio al "Joven investigador en física a bajas temperaturas", un galardón a su trayectoria e investigaciones como estudiante y joven profesor.

También vienen a Buenos Aires sus previos supervisores de Yale, Michel Devoret y Robert Schoelkopf, quienes recibirán el prestigioso premio Fritz London junto con John Martinis, otro pionero de la Universidad de California en Santa Bárbara.

DiCarlo dejó Buenos Aires a los 7 años. Su padre, quien trabajaba como director técnico en Olivetti, fue trasladado al exterior. Al terminar el secundario, DiCarlo decidió por los EEUU para continuar sus estudios. Hoy cuenta con un título en Ingeniería Electrónica y Física de Stanford, un doctorado en Física de Harvard y un posdoctorado en Física Aplicada en Yale.

Radicado en Delft, cerca del puerto de Rotterdam, busca aprovechar de esta visita para conocer más sobre los avances de la Física experimental en la Argentina.

Su paso podría ayudar a fomentar el interés por la especialidad entre investigadores jóvenes locales. DiCarlo, que cuenta con un equipo de estudiantes y profesionales de diversas nacionalidades, mostró su deseo por contar con estudiantes sudamericanos en sus filas: "Me encantaría. No es común que apliquen en Delft. ¡Esto debe cambiar!".