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Investigadores españoles desarrollan el ordenador cuántico del futuro

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Investigadores españoles desarrollan el ordenador cuántico del futuro






Chip de 9 bits cuánticos con circuitos superconductores usado en la colaboración de QUTIS con Google.  Foto: Julian Kelly
Chip de 9 bits cuánticos con circuitos superconductores usado en la colaboración de QUTIS con Google. Foto: Julian Kelly
Hay problemas de una complejidad tan alta que son imposibles de resolver por ordenadores convencionales. Y en esta categoría de computadoras se incluyen los superordenadores, como el Mare Nostrum, instalado en Barcelona. Problemas que podrán solucionarse en un futuro cercano gracias a los importantes avances logrados por dos equipos de investigadores internacionales, uno de ellos español. Así, trabajan de forma conjunta Quantum Technologies for Information Science (QUTIS) de la Universidad del País Vasco, en Bilbao, dirigido por Enrique Solano, y el laboratorio de computación cuántica de Google, en California, comandado por John Martinis.
Hablamos de un ordenador cuántico digital, que permite la resolución de “problemas complejos de moléculas químicas, estudio de materiales nuevos desde un punto de vista microscópico, simulación de experimentos de altas energías, problemas aerodinámicos que incluyen fenómenos de turbulencia, algoritmos eficientes de inteligencia artificial y reconocimiento de imágenes, entre muchos otros”, según explica el propio Enrique Solano, además de director del grupo QUTIS, investigador de Ikerbasque en el Departamento de Química Física de la UPV-EHU.
La diferencia básica con los ordenadores digitales convencionales es que los cuánticos tienen como unidad de información el bit cuántico (qubit), “que permite la coexistencia de los valores 0 y 1 en diferentes proporciones, mientras que el bit convencional sólo puede adquirir, de forma exclusiva, el valor de 0 o 1”, comenta Solano. Pero no es tan simple como esa definición. Lo especifica el responsable de QUTIS: “Los bits cuánticos sólo pueden existir en condiciones de laboratorio extremas. Por ejemplo, los que usa Google están hechos de materiales superconductores que necesitan un sistema de refrigeración que los mantiene muy cerca del cero absoluto de temperatura” (la temperatura más baja teórica posible, -273 grados).
El último proyecto en el que ambos equipos han colaborado, publicado en la revista Nature, constituye un récord mundial en cualquier plataforma de computación cuántica: ha conseguido realizar una digitalización de la computación cuántica analógica en 9 bits cuánticos y más de 1.000 puertas lógicas. Algo que “nadie en la historia de la computación cuántica había logrado”, concreta Solano. El resultado: han creado el chip más avanzado del mundo hasta hoy en computación cuántica y simulación cuántica digital. Completar este proyecto  les ha llevado entre 6 y 12 meses.
El éxito está en convencer
Enrique Solano explica que el gran talento de QUTIS, “y el verdadero éxito de los científicos creativos, es lograr convencer a los mejores laboratorios del mundo de que nuestras teorías podrían verificarse en sus experimentos”. El grupo QUTIS venía de publicar en las revistas científicas más prestigiosas, “resultados pioneros en cómo simular y computar modelos de materiales, moléculas químicas, sistemas de materia condensada, teoría cuántica de campos, incluyendo la posibilidad de simular operaciones que violan las leyes fundamentales de la física como en un teatro cuántico donde la ficción cobra realidad”, detalla Solano.
Pese a este bagaje, convencer a Google de sus ideas científicas no fue tarea fácil: “Ha estado lleno de desafíos intelectuales donde había que poner mucho talento, mucha improvisación inspirada, mucho trabajo en equipo y una gran inteligencia emocional. Sin estas habilidades no habría sido posible transformar de forma creativa y proactiva la constante frustración que surge en colaboraciones al más alto nivel tecnológico, donde las cosas fallan con mucha frecuencia”.
Google y el grupo español llevan colaborando desde hace tres años. “El origen surge en una visita que les hicimos en Santa Bárbara, California, en el verano de 2014. En muy poco tiempo logramos una buena relación y empatía. Rápidamente, nuestras ideas los convencieron en el contexto de sus experimentos con circuitos superconductores. A los pocos días ya tenían resultados experimentales verificando nuestras propuestas y teorías. Volvimos a visitarlos el verano de 2015 y ellos también nos visitaron en Bilbao. Pocos grupos teóricos en el mundo pueden contar entre sus éxitos el haber convencido y colaborado con laboratorios tan avanzados como los de Google, en la realización de dos experimentos consecutivos y batiendo récords mundiales de complejidad en simulación y computación cuántica digital [el primero, también publicado por Nature Communications, en el que realizaron una simulación cuántica digital de modelos de materiales con 4 bits cuánticos y 300 puertas lógicas]”, resume orgulloso Solano.
Al borde de la ‘supremacía cuántica’
Existen muchos caminos a seguir en esta carrera por la construcción de un ordenador cuántico con más qubits y que consiga superar a los ordenadores convencionales. Una de esas posibilidades es intentar acercarse a la construcción de un chip con entre 50 y 100 qubits. Lo explica Solano: “A diferencia de los ordenadores o superordenadores convencionales, que necesitan procesar billones de bits y realizar billones de puertas lógicas para hacer cálculos muy complejos, los ordenadores cuánticos podrían superarlos con sólo unas decenas o centenas de qubits adecuadamente operados por algoritmos cuánticos diseñados para este fin. Desde este punto de vista, llegar al control de 40 o más bits cuánticos nos llevaría al borde de lo que se conoce como supremacía cuántica. Es decir, ese momento en el que obtengamos resultados científicos y tecnológicos que sólo puedan calcularse o simularse con un ordenador cuántico, dejando atrás para siempre los ordenadores convencionales”.
¿Y eso, qué significa, en qué se traduce? “Poseer esa tecnología y ese conocimiento será una expresión de poder geopolítico, de control industrial, de orgullo histórico, de acceso a un conocimiento y desarrollo tecnológico insospechado, de información segura en las comunicaciones, de medidas más precisas a todo nivel, de modelización avanzada de nuevos materiales, de nuevas moléculas químicas para la medicina, de sistemas aerodinámicos, de inteligencia artificial y reconocimiento de imágenes de forma útil y eficiente”. Casi nada. Investigación, creatividad, innovación para abrir las puertas del futuro. Y desde España.

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