Alba Cervera, física: “Con la computación cuántica, lo que era muy difícil deja de serlo”

¿Para cuándo estará operativo el ordenador cuántico del Barcelona Supercomputing Center?

Quantum Spain arrancó a finales de 2021 y está previsto que concluya en el 2025. Es un proyecto muy grande con diferentes partes. Una de ellas, muy importante, es adquirir, instalar y dar acceso al ordenador cuántico. Ya hemos hecho el concurso público para comprar el ordenador y que la empresa nos diera acceso al primero de los chips cuánticos, porque vamos a tener varios. La potencia de un ordenador cuántico depende de cómo de bueno sea ese chip. El plan es empezar con chips más pequeños y poco a poco ir incorporando otros más sofisticados. Como las instalaciones del BSC todavía no están listas para poder instalar el ordenador, le pedimos a la empresa con la que estamos trabajando que nos diera acceso en remoto a los primeros chips para no retrasar el proyecto, y ya lo tenemos. Ahora estamos haciendo test para ver cómo funciona y qué se puede hacer con él. Cuando tengamos la garantía de que funciona bien, abriremos el acceso a los interesados para que las universidades o incluso empresas que quieran utilizarlo pueden hacerlo.

Para que lo entendamos todos, ¿en qué consiste la computación cuántica? ¿Qué ventajas tienen estos ordenadores frente a los clásicos?

Los ordenadores actuales se basan en la computación digital, que trabaja con bits, los famosos ceros y unos. Permiten hacer cualquier operación que puedas imaginar, pero esto no significa que lo hagan de manera eficiente. Hay determinados cálculos o simulaciones que pueden llevar muchísimo tiempo. La computación cuántica es otro modelo que, para determinados problemas, puede ser más eficiente que la tradicional. De entrada, esos problemas tienen que ver con entender lo que ocurre a escala atómica y subatómica. En un ordenador normal, puedes meter las ecuaciones y simular lo que sucede en el mundo cuántico. Es posible cuando trabajas con unas pocas partículas, pero si quieres hacerlo con muchas, tardas una barbaridad, y en algunos casos resulta casi imposible. Por eso en los Ochenta surgió la idea de la computación cuántica: ¿por qué no construir ordenadores que tuvieran las mismas propiedades de las cosas que se querían estudiar? Como las leyes de la cuántica son diferentes, esta computación también tiene unas características diferentes y unas posibilidades diferentes. Después se descubrió que podía resultar más eficiente para estudiar no solo el mundo cuántico, sino también para resolver determinados problemas matemáticos muy difíciles. Esto fue un boom en los Noventa. De repente se dieron cuenta de que los ordenadores cuánticos no eran solo un juguete para los físicos. Ahora lo que estamos haciendo es estudiar para qué pueden servir, tanto en la actualidad como en el futuro.

No creo que vayamos a tener ordenadores cuánticos en casa por el mismo motivo por el que no tenemos superordenadores: porque no nos hacen falta para enviar un whatsapp. 

¿Y en qué campos creéis que pueden tener más aplicaciones?

De entrada, el más inmediato es, como decía, el estudio del mundo cuántico, que describe los átomos, las moléculas, la luz…Todo el universo está hecho de materia, por tanto, puede ser útil para estudiarlo prácticamente todo. Por ejemplo, la química, que se basa en reacciones de moléculas. Pero más allá de eso, como la computación cuántica puede resolver problemas matemáticos que pensábamos que eran casi imposibles, abre muchas oportunidades, por ejemplo, para resolver problemas de optimización en logística, en finanzas y en muchos otros campos. Estamos trabajando para ver las posibles ventajas de hacer la inteligencia artificial cuántica, porque hay muchas matemáticas detrás del entrenamiento de estos modelos. La computación cuántica resulta también muy útil para factorizar. Si recuerdas las matemáticas del colegio, multiplicar es muy fácil, pero factorizar es difícil. Para descomponer un número en factores primos tienes que ir probando para ver entre qué números es divisible, y si el número es muy alto, tardas mucho tiempo. La criptografía se basa en el principio de que factorizar números grandes es muy difícil, pero con un ordenador cuántico podremos, en teoría, factorizar en tiempo razonable. Esto pone en jaque toda la criptografía actual. Con la computación cuántica, lo que era muy difícil deja de serlo. De momento todo esto es solo teoría, pero era algo totalmente imposible de imaginar hasta hace apenas diez años, que es cuando la tecnología logró evolucionar lo suficiente como para fabricar los primeros prototipos de ordenadores cuánticos. Se está repitiendo algo que ya ha sucedido antes en la historia de la computación, que empezó con el ábaco. Después llegaron esos ordenadores que ocupaban una habitación entera y que sirvieron para enviar al hombre a la Luna. Esos aparatos creados con un objetivo de cálculo muy concreto después se han acabado aplicando a muchas cosas. En los setenta, el jefe de IBM dijo que en todo el mundo había mercado para cinco ordenadores personales. En esa época no podían imaginar que todos tendríamos un ordenador en casa. Esto es algo parecido. No creo que vayamos a tener ordenadores cuánticos en casa por el mismo motivo por el que no tenemos superordenadores: porque no nos hacen falta para enviar un whatsapp. No todos los ordenadores tendrán que ser cuánticos, pero sí es posible que en el futuro descubramos aplicaciones revolucionarias para ellos que ni siquiera imaginamos ahora mismo.

¿Qué aspecto tiene un ordenador cuántico?

En realidad, puede tener muchos aspectos diferentes. Los ordenadores convencionales utilizan transistores con semiconductores. No hay muchas más opciones, la pinta es siempre la misma. Pero en el caso de los ordenadores cuánticos, todavía se está investigando cómo fabricarlos, así que se están usando tecnologías distintas. El que tendremos nosotros en Barcelona es del tipo cúbits superconductores, el más utilizado. Desde fuera lo que ves es un cilindro del tamaño, como mucho, de una mesa. En internet puedes ver fotos del cilindro abierto, que es muy bonito, pero para que se enfríe tiene que estar cerrado. Para enfriar el chip a temperaturas de prácticamente el cero absoluto, algo necesario para que se den las condiciones de superconductividad del chip, necesitamos un refrigerador muy potente. De hecho, estos refrigeradores enfrían más que la temperatura media del universo. Alrededor del cilindro tenemos el andamiaje para poder abrir y cerrarlo y un montón de cables, que es la electrónica de control. Luego hay otras tecnologías cuánticas. Tenemos, por ejemplo, la tecnología con átomos neutros o con iones atrapados. En este caso se atrapan los átomos una a uno, se colocan como si fueran una red y se manipulan con láseres. Esa manipulación con láseres tiene propiedades cuánticas, y es lo que se utiliza para hacer computación. Se necesita una mesa óptica llena de láseres y espejos que van dirigiendo el láser hacia donde hace falta, y una cámara, como un trozo de cristal, donde quedan atrapados los átomos. Se puede ver a simple vista: aparece como una nube, que son los átomos que empiezan a brillar al recibir energía. También hay ordenadores cuánticos a partir de fotónico, que tiene más pinta de chip, aunque el aparato es bastante grande y lleva láseres alineados, y se están explorando otras muchas tecnologías. La que nosotros escogimos es la que utilizan también IBM, Google y otras grandes empresas. Igual nos equivocamos y el más potente al final es de otra clase, pero la escogimos porque pensamos que podía ser la más fácil de llevar fuera de un laboratorio. Con la tecnología de átomos neutros necesitas a alguien todo el tiempo alineando los cristales y asegurándose de que todo funciona bien. En estos el funcionamiento está, digamos, más automatizado.

Más allá de la refrigeración, ¿necesita unas condiciones ambientales especiales?

En realidad, no demasiadas. La instalación no es mucho más complicada que la de una nevera: la compras, te la instalan y poco más. Aquí, igual. De hecho, el funcionamiento es sorprendentemente parecido al de una nevera convencional. En este caso, en lugar de líquido refrigerante usa helio líquido, que baja la temperatura muchísimo más, así que necesitamos también un compresor de helio que lo mueva. Pero no es nada demasiado sofisticado, y menos para un centro de supercomputación como el nuestro, donde estamos acostumbrados a enfriar un superordenador, que es algo muy grande. El del Barcelona Supercomputing Center es famoso porque está instalado en la capilla de una iglesia y resulta bastante espectacular. También queremos instalar allí el ordenador cuántico, y para eso tenemos que hacer un poco de obra.

¿Quién podrá utilizarlo?

Este proyecto va destinado a la Red Española de Supercomputación, de la que formamos parte catorce instituciones. Todas tenemos superordenadores que ponemos a disposición de quien los necesite. Cada cuatro meses sale una convocatoria para que cualquiera pueda enviar su proyecto y solicitar usar un ordenador porque necesita determinada potencia de cálculo. Después de recibir la petición, se evalúa, considerando si tiene sentido desde el punto de vista técnico y desde el punto de vista científico. Existe un panel independiente que da prioridad a unos proyectos sobre otros en función de su interés. Una vez superado el proceso, y siempre que el objetivo del proyecto sea público, es decir, que sus resultados se vayan a publicar, el acceso es gratuito. En el caso del ordenador cuántico será igual, podrá usarlo quien quiera usar la computación cuántica para hacer investigación. Ahora tenemos que crear el acceso en la nube para que forme parte de la red. Técnicos de todos los nodos de esa red están formándose en computación cuántica, porque cuando lleguen los usuarios tendrán muchas preguntas sobre cómo funciona. Al final, este es un campo todavía muy incipiente. Existe desde hace tiempo, pero es en los últimos años cuando ha explotado. Hace falta muchísima investigación para crear lo que llamamos pruebas de concepto y ver para qué puede servir un ordenador cuántico. Hace poco firmamos los convenios de colaboración con el CSIC, la Universidad de Barcelona, la Complutense de Madrid, de la de Oviedo, etcétera. La parte de investigación es muy importante, pero también lo es la del talento. Las personas que saben computación cuántica vienen de las facultades de Física y no son muchas, porque es una asignatura todavía reciente. Ahora hace falta que más gente sepa de qué va esto, y me refiero, obviamente, a físicos, pero también a ingenieros, matemáticos, químicos, etcétera. Tenemos que generar actividades, contenidos educativos, congresos y seminarios relacionados con computación cuántica para crear ecosistema y que nos conozcamos entre nosotros, de forma que quien se encuentre ante un problema que la computación cuántica pueda ayudar a resolver, sea del campo que sea, sepa a quién acudir.

Parece que estamos en una carrera por conseguir el ordenador cuántico más potente, con competidores como Google, Intel, Microsoft o IBM. Esta última empresa, por ejemplo, ha anunciado uno para 2025 con una capacidad de más de 4.000 cúbits. ¿Tiene límites la computación cuántica?

A veces se lanzan titulares que tienden a exagerar un poco. La medida básica de potencia que se está utilizando, al menos de cara al público, es el número de cúbits, pero la realidad es que no solo necesitas cúbits, también hay que saber cómo utilizarlos. El principal problema en la computación cuántica hoy en día es que los cúbits no son perfectos, presentan lo que se llama ‘ruido’, es decir, errores. Hacer corrección de errores es muy complicado, ahora se está empezando a lograr, pero trabajando con solo unos poquitos. Estaría muy bien tener la posibilidad de disponer de ordenadores de 1 millón de cúbits si quisiéramos, pero necesitaríamos que esos cúbits fuesen muy buenos. Tener muchos no te sirve de absolutamente nada si sus propiedades son malas. Si duran un nanosegundo, no puedes hacer nada con ellos. El famoso algoritmo de factorización que amenaza con romper la criptografía parece algo todavía lejano, porque eso necesitaría cúbits perfectos. Pero sí es cierto que ahora está habiendo en la computación cuántica una carrera tecnológica, que es casi geopolítica, igual que sucede con otras tecnologías como la inteligencia artificial. Estados Unidos y China están muy avanzados en este campo, y Europa se ha puesto bastante las pilas. Cuando se desarrolló la computación tradicional, Europa decidió que los chips los fabricaran otros, y ahora nos estamos encontrando con problemas por esa decisión. En el caso de la computación cuántica, Europa ha decidido que también tiene que ser proveedor de tecnología, y está apoyando a las empresas o iniciativas que quieran construir ordenadores cuánticos aquí.

Es muy difícil, prácticamente imposible, que un ordenador cuántico salga de Estados Unidos, porque allí los consideran casi tecnología militar. Y si dejan venderlos, es bajo unas condiciones muy estrictas. Lo mismo sucede en China, igual te venden prototipos sencillos, pero no los modelos más sofisticados.

¿Cuánto cuesta un aparato de este tipo?

Como hay tan poca oferta y exige muchísimo desarrollo técnico y científico, es muy difícil ponerles precio. De hecho, también fue muy complicado establecer el precio en la licitación. A nosotros el pack completo nos cuesta 8,1 millones de euros: la máquina, siete chips diferentes, la electrónica de control, el software, etcétera. Pero otros proyectos han sido más caros. Depende de lo que estés dispuesto a pagar y de lo que la empresa esté dispuesta a ofrecer, porque a veces les puede interesar venderlos, aunque sea a un precio razonable. Por otro lado, hay países que empiezan a impedir las exportaciones. Es muy difícil, prácticamente imposible, que un ordenador cuántico salga de Estados Unidos, porque allí los consideran casi tecnología militar. Y si dejan venderlos, es bajo unas condiciones muy estrictas. Lo mismo suced en China, igual te venden prototipos sencillos, pero no los modelos más sofisticados.

¿Cómo te interesaste por un área tan nueva como esta?

Yo no había oído hablar de computación cuántica hasta que llegué a tercero de carrera. Fui la primera generación del Plan Bolonia, y cuando se hizo el cambio, surgió una asignatura, teoría de la información cuántica, que antes no existía. Ahora la demanda es tal que no entran todos, pero cuando yo la cogí éramos solo siete en clase. La asignatura me gustó mucho y acabé haciendo mi trabajo de fin de grado sobre el mismo tema. El máster lo hice en física de partículas, que no tiene nada que ver, porque también me interesaba. Cuando terminé, un profesor me dijo que quería hacer un doctorado que mezclara física de partículas y computación cuántica, y me lancé a ello pensado que haría investigación básica y que después sería difícil encontrar trabajo. Durante el primer año, en 2016, IBM lanzó el primer ordenador cuántico en la nube, con solo cinco cúbits. Eso cambió totalmente el panorama. Pasó de ser algo muy teórico a que todo el mundo tuviera acceso desde su portátil a un ordenador cuántico real. Al final de mi doctorado, el Barcelona Supercomputing Center inició una línea de investigación en computación cuántica y estuve allí un tiempo. De repente hubo un boom enorme de esta tecnología. Después hice el postdoctorado en Canadá y cuando estaba buscando como volver a España, apareció Quantum Spain. Tuve la suerte de estar en el momento indicado con la experiencia adecuada.