IBM marcó un punto de inflexión en la computación cuántica cuando presentó (en el Consumer Electronics Show de Las Vegas 2019) el primer ordenador cuántico (o cuántico) comercial. El IBM Q System OneEl poder de la computación cuántica y la física subatómica ha dejado atrás los laboratorios para introducirse en el mundo empresarial: las empresas pueden utilizar el ordenador cuántico de IBM, a través de la nube, para aplicaciones comerciales que van desde modelos financieros hasta medicamentos personalizados, desde previsiones meteorológicas hasta criptografía.
En esta carrera por el ordenador cuántico más potente, IBM debe competir con Google, que en California cuenta con un equipo Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica dedicado a la investigación y el desarrollo cuánticos. El laboratorio combina estrechamente el trabajo de Big G en el inteligencia artificial campo de la computación cuántica y se centra en el desarrollo de semiconductores y algoritmos especializados. El director John Martinis, uno de los principales expertos en investigación cuántica, abrió el baile declarando que el gigante californiano estaba cerca de crear un ordenador cuántico capaz de demostrar la «supremacía cuántica», la superioridad del ordenador cuántico sobre los superordenadores tradicionales. De hecho, fue así.
Pero hay muchos centros de investigación y empresas en todo el mundo que invierten en el desarrollo de la computación cuántica. Europa, con la «Iniciativa emblemática cuántica», ha invertido mil millones de euros en diez años a partir de 2018.
Analizando la demanda a escala mundial, varias grandes empresas que operan en los sectores más diversos están invirtiendo en la computación cuántica: los anuncios de proyectos experimentales están aumentando, y en 2023 hubo un total de 151 proyectos (+50% en los últimos dos años) realizados por 108 empresas. Entre los sectores más prolíficos en términos de número de proyectos, encontramos el sector financiero, el sector químico-farmacéutico, el sector de la automoción y el sector energético.
Así lo confirman los datos del Observatorio de Computación Cuántica y Comunicación de la Facultad de Administración del Politécnico de Milán, publicados con motivo de la conferencia «La revolución cuántica: Italia, ¿estás (preparándote)?»
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Computadora cuántica y qubits: qué es y cómo funciona
Los ordenadores cuánticos son calculadoras que explotan las leyes de la física y la mecánica cuántica, la que estudia las partículas subatómicas. Su unidad fundamental es el bit cuántico o qubit, vinculado al estado en el que se encuentra una partícula o un átomo y cuyas peculiaridades permiten realizar los cálculos con mucha más rapidez.
De hecho, mientras que en el método computacional clásico cada bit está representado por cero o uno (sistema binario), en la computación cuántica el qubit puede ser 0-1 o cero y uno al mismo tiempo. Esto es posible gracias a la superposición de estados cuánticos, que permite realizar cálculos paralelos (en lugar de uno a uno), multiplicando exponencialmente la potencia y la velocidad incluso en cálculos extremadamente complejos, reduciendo los tiempos de procesamiento de años a minutos.
Además de la superposición de estados, los qubits tienen otras propiedades específicas que se derivan de las leyes de la física cuántica, como el entrelazamiento, es decir, la correlación entre un cúbit y otro, de la que se deriva una fuerte aceleración en el proceso de cálculo.
Peculiaridades y problemas del ordenador cuántico
El estado subatómico también crea problemas que la computación cuántica debe superar. El primer desafío es mantener la calidad de los potentes pero delicados cúbits: pierden rápidamente sus cualidades cuánticas especiales (en unos 100 microsegundos) debido a factores como las vibraciones y fluctuaciones de la temperatura ambiente y las ondas electromagnéticas. Las partículas son volátiles y frágiles, precisamente porque cambian de estado y pueden provocar la pérdida de datos e información útiles para el proceso de cálculo.
Además, para que la tecnología cuántica funcione, son necesarias temperaturas muy bajas cercanas al cero absoluto (alrededor de -273 °C). Para obtenerlos hasta ahora, el método más común es utilizar gases licuados (como el isótopo helio-3), pero es un sistema muy caro. Un equipo de investigadores de la TUM (Universidad Técnica de Múnich) ha desarrollado un sistema de refrigeración magnética para temperaturas extremadamente bajas, adecuado para la electrónica cuántica, que evita el uso del helio-3 y que ya lo comercializa la startup Kiutra.
Según el mencionado informe de McKinsey, el hardware sigue representando el verdadero «cuello de botella» para la computación cuántica y sus aplicaciones. Es necesario aumentar el número de qubits en una computadora cuántica y, al mismo tiempo, garantizar una calidad adecuada. El hardware también presenta una importante barrera de entrada, ya que requiere una combinación poco común de capital, experiencia en física cuántica experimental y teórica y una competencia profunda, especialmente un conocimiento de las áreas específicas para las opciones de implementación individuales, según el informe. El objetivo real será realizar un cálculo cuántico con corrección de errores y tolerante a fallos de aquí a 2030.
IBM Q System One y la comunidad cuántica en la nube
IBM inauguró la era de los ordenadores cuánticos en 2001 al crear un ordenador cuántico de 7 qubits en el Centro de Investigación de Almaden. En 2017, creó y puso en funcionamiento dos ordenadores cuánticos de 16 y 17 qubits, respectivamente. En febrero de 2019, IBM anunció un ordenador de 20 qubits en el CES de Las Vegas, pero en los laboratorios llegó a simular el funcionamiento del ordenador cuántico de 56 qubits, un nivel considerado un superordenador. En octubre de 2019, la empresa añadió un ordenador de 53 qubits a su arsenal de supermáquinas cuánticas. Además, IBM también ha desarrollado el Q System One, el primer sistema de procesamiento cuántico «integrado y universal» diseñado tanto para la investigación científica como para su uso comercial, y ha anunciado la apertura de su primer centro de computación cuántica en Poughkeepsie, Nueva York, donde se alojarán algunos de los sistemas cuánticos más avanzados de IBM basados en la nube de IBM. Ahora todo esto se renueva.
Por último, con motivo de la edición anualCumbre cuántica, la compañía anunció Eagle, el primer procesador cuántico de 127 qubits que supone superar la potencia de cálculo que se puede simular con los ordenadores actuales. El procesador Eagle permite aprovechar el potencial informático de los dispositivos basados en la física cuántica para resolver problemas complejos, realizar experimentos y ejecutar aplicaciones basadas en algoritmos cuánticos. Eagle es el último paso en el camino de escalado de la computación cuántica trazado por IBM para permitir que los circuitos cuánticos alcancen la ventaja cuántica, el punto en el que los sistemas cuánticos superan con creces a los clásicos. Junto con el lanzamiento de Eagle, IBM inauguró Quantum System Two, la nueva generación de sistemas integrados de computación cuántica diseñada para funcionar con procesadores de 433 y 1121 qubits que se desarrollará en los próximos años. El primer procesador Eagle está disponible en una versión experimental para miembros seleccionados de Q Network, el programa comercial de computación cuántica de IBM.
Computación cuántica: APIs y nuevas habilidades
En febrero de 2021, IBM actualizó su hoja de ruta para el desarrollo de sus soluciones de computación cuántica, ampliando su estrategia del hardware al software y a la implementación nativa de la nube de las cargas de trabajo cuánticas. También se trata de un pequeño «salto cuántico»: el gigante Armonk pretende crear una verdadera comunidad de computación cuántica de código abierto dotándola de herramientas de desarrollo abiertas y así ‘democratizar’ el acceso a la tecnología cuántica lo más rápido posible.
El anuncio de IBM, en concreto, se refiere a las actualizaciones para los desarrolladores de núcleos cuánticos que escriben código y a quienes ahora se les ofrecen API para circuitos. IBM ha lanzado el entorno de ejecución Qiskit, un entorno de ejecución que aumenta la capacidad de hacer que más circuitos funcionen más rápido, lo que permite multiplicar por 100 la velocidad de las cargas de trabajo que utilizan la ejecución iterativa de circuitos, según IBM. También permite almacenar programas cuánticos para que otros usuarios puedan ejecutarlos «como un servicio».
IBM también ha desarrollado una certificación de habilidades de desarrollo cuántico en su plataforma de software. Se trata de la certificación de IBM Quantum desarrollador con la que, según una nota de la empresa, «IBM Quantum ofrece una vía para que las personas con todos los conocimientos básicos en desarrollo obtengan una certificación en programación con Qiskit, lo que mejora sus habilidades de codificación cuántica y las transforma en oportunidades para traducirlas en un puesto de trabajo. La computación cuántica, según los estudios de mercado más recientes, será una industria de 65 000 millones de dólares en 2030 y necesitará muchos profesionales».
El ordenador cuántico de Google y la «supremacía cuántica»
Una investigación realizada por Google y su laboratorio de IA cuántica permitió en marzo de 2018 producir un chip de ordenador cuántico de 72 qubits, llamado Bristlecone. En 2019, el Financial Times informó (basándose en una entrada de blog de un investigador de Google que luego fue destituido) que Google había alcanzado la supremacía cuántica al llevar a cabo en 3 minutos un proceso que habría llevado 10 000 años en IBM Summit (el superordenador comercial más rápido del mundo, no cuántico). El experimento se habría llevado a cabo con un procesador de 53 qubits con el nombre en código Sycamore.
Unos meses más tarde, Google confirmó el hito en un estudio publicado en Nature, explicando que había realizado un cálculo extremadamente complejo en 3 minutos y 20 segundos utilizando su chip cuántico Sycamore de 53 qubits. La replicación de IBM está lista: una configuración Summit diferente, con capacidad de almacenamiento adicional, habría permitido resolver la operación (encontrar patrones recurrentes en una serie aleatoria de números) en un máximo de 2 días y medio y con mayor precisión. «Los ordenadores cuánticos nunca prevalecerán sobre los ordenadores tradicionales, aclaró Darío Gil, director de investigación de IBM, sino que trabajarán juntos, cada uno de los cuales explotará sus características específicas». También para Torsten Siebert, director del programa de investigación en computación cuántica de la Sociedad Fraunhofer alemana, «el progreso probablemente se logrará mediante combinaciones híbridas. Y para el gigante de los chips Intel, la «practicidad cuántica» está muy lejos: los experimentos de laboratorio son una cosa y los usos reales, otra.
Google sigue convencido de la magnitud de su resultado y de su valor comercial: «Esperamos que cuando las personas comiencen a utilizar esta tecnología y comprueben la estabilidad del rendimiento y de la interfaz en la nube, se entusiasmen con lo que Google tiene para ofrecer», según declaraciones recogidas por Reuters por John Martinis, científico jefe de hardware cuántico de la empresa de Mountain View.
En el Quantum AI Lab, Google también ha creado un chip de ordenador cuántico de 72 qubits, llamado Bristlecone, y para muchos expertos, la supremacía que Google ya está logrando es sobre los procesadores y los algoritmos. Big G está realizando experimentos con un nuevo circuito basado en una red de 49 qubits, mientras que en cuanto al software, anunció el año pasado la versión alfa de Cirq, un marco de código abierto para ordenadores cuánticos NIQ que permite a los investigadores de computación cuántica escribir algoritmos cuánticos para procesadores cuánticos.
Las siglas NISQ son las siglas de Noisy Intermediate Scale Quantum e indican la mayoría de los ordenadores cuánticos fabricados y verificables en la actualidad. Son «ruidosos» por su alto nivel de ruido (lo que, entre otras cosas, limita su rendimiento al afectar a la red de cúbits) y son de «escala intermedia» porque se encuentran en el rango de 50 a 100 qubits: superan el rendimiento de los superordenadores estándar, pero, según los científicos, solo las potencias que van más allá de los 100 qubits pueden hacer que la computación cuántica sea realmente revolucionaria.
Otros jugadores: desde Microsoft Q hasta D-Wave
Entre otras empresas dedicadas a la computación cuántica se encuentra Microsoft, que ha desarrollado el lenguaje de programación Q# y ha lanzado un «kit de desarrollo cuántico» para ayudar a los programadores a desarrollar aplicaciones utilizando la nube Azure.
Entre los fabricantes de máquinas y procesadores, por otro lado, destaca el canadiense D-Wave Systems, que vendió el primer ordenador cuántico con fines de investigación a Lockheed Martin en 2011 y cuyo ordenador cuántico D-Wave two con un procesador de 512 qubits lleva desde 2013 en el Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica de Google para experimentos realizados con la NASA. La compañía canadiense también ha anunciado el D-Wave 2000Q, un superordenador cuántico con un procesador de 2000 qubits.
El gigante de los chips Intel, a través de sus laboratorios Intel, ha presentado el que define como el primer chip de control criogénico: con el nombre en clave Horse Ridge, podrá acelerar el desarrollo de sistemas de computación cuántica completos, lo que permitirá la «practicabilidad» de los superordenadores cuánticos que la misma empresa californiana ha desafiado a su rival Google.
El gigante coreano de la electrónica Samsung también ha entrado en el campo de la computación cuántica al invertir en la startup estadounidense IonQ. IonQ, un «juego puro» de ordenadores cuánticos, cuenta con ordenadores cuánticos fabricados con sus tecnologías y utilizados por instituciones de investigación que alquilan su potencia de cálculo. Son máquinas que no tienen que mantenerse en entornos con temperaturas cercanas al cero absoluto (como ocurre con la competencia), sino que funcionan a temperatura ambiente. Además, la mayoría de los componentes están disponibles en el mercado, lo que reduce considerablemente los costes de construcción y mantenimiento, lo que contribuye a acercar la computación cuántica al uso comercial. Sin embargo, el verdadero corazón de las máquinas cuánticas de IonQ es el chip, un producto ad hoc que la propia startup estadounidense ha fabricado por un proveedor externo. IonQ cotizó a finales de 2021 en la Bolsa de Valores de Nueva York; tras el primer día de cotización, alcanzó una capitalización bursátil de 345 millones de dólares.
Amazon también ha decidido entrar en el campo de la informática cuántica con el lanzamiento de Braket, un servicio totalmente gestionado que se ofrece dentro de la cartera de servicios en la nube de AWS (Amazon Web Services) que le permite empezar a utilizar la computación cuántica al ofrecer un entorno de desarrollo en el que explorar y diseñar algoritmos cuánticos, probarlos en ordenadores cuánticos simulados y aplicarlos a diversas tecnologías cuánticas.
Computación cuántica digital: el objetivo italiano
También está Italia en la evolución de la computadora cuántica. Al centrarse más en la situación italiana, este año el país comienza a dar los primeros pasos hacia la creación de un ecosistema nacional de computación cuántica, gracias a los fondos de investigación y desarrollo que se derivan de ellos, PNRR que ascienden a más de 140 millones (que, sin embargo, en la mayoría de los casos resultan pequeños y sin una estrategia a medio-largo plazo), pero también al creciente interés en el mundo privado. La inversión de estos últimos sigue siendo modesta (menos de 6 millones de euros) y se destina principalmente a los recursos internos de la empresa.
También según datos de la Escuela de Administración del Politécnico de Milán, específicamente el 24% de las empresas se ha embarcado en el camino hacia la preparación cuántica: el 11% solo con fines informativos, a través de iniciativas de difusión y algunas relaciones con los ecosistemas; un 12% adicional de forma más concreta, iniciando también un experimento; solo el 1% puede definirse como Quantum Pioneer, es decir, trabaja de forma orgánica con un compromiso empresarial a largo plazo.
Es interesante observar que, del 76% de las empresas que aún no han iniciado un viaje de preparación cuántica, hay un 7% de empresas que tienen todas las características que permiten la innovación tecnológica, pero que deciden en este momento asumir una posición como espectadoras. La parte restante, por otro lado, aún se encuentra en una fase de transformación organizacional que dificulta la inclusión de la computación cuántica entre las prioridades de trabajo.
Al analizar los méritos de las inversiones públicas italianas, es posible identificar dos iniciativas. El primero es el Centro Nacional de HPC, Big Data y Computación Cuántica (un presupuesto total de 320 millones de euros, de los cuales 30 se dedican a una conferencia sobre computación cuántica), cuyo objetivo es promover la creación de una red de colaboración entre centros de investigación, universidades y empresas.
La segunda es la asociación ampliada NQSTI (Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Cuánticas), que tiene como objetivo promover actividades competitivas de investigación fundamental en ciencia cuántica.
Pero hay otro hito en Italia: dirigido por el investigador Marco ArzeoEl equipo napolitano de Seeqc, ha desarrollado y medido con éxito una operación lógica de dos cúbits (puerta). Seeqc es el primer equipo italiano y uno de los pocos entre un puñado de empresas internacionales de computación cuántica que logra este objetivo de ingeniería.
Seecq es una empresa de computación cuántica digital con oficinas en EE. UU. y Europa. En Nápoles trabaja con un equipo creado a partir de la colaboración con la Universidad Federico II. La medición de una compuerta de dos cúbits representa un paso crucial para que el Seeqc de Computación Cuántica avance en el diseño y desarrollo de una plataforma comercial.
La innovación de Seeqc reside en su enfoque del hardware de la computación cuántica, explica Arzeo: a diferencia de los gigantes más conocidos de la computación cuántica, Seeqc utiliza la computación cuántica digital, o circuitos integrados que combinan el qubit con la electrónica de control digital.
De hecho, la computación cuántica digital combina la computación clásica y la cuántica, creando una arquitectura completamente digital y tratando así de superar los problemas de eficiencia, estabilidad y costos que a menudo surgen con los sistemas de computación cuántica basados en una infraestructura de control analógica y de microondas (tecnología CMOS).
Esta nueva arquitectura incluye circuitos digitales patentados por Seeqc combinados con circuitos que contienen bits cuánticos (qubits) en una estructura modular refrigerada en la misma unidad criogénica. La arquitectura de circuitos de gestión cuántica digital (DQM) de Seeqc permite a la empresa diseñar conjuntamente hardware cuántico específico.
De hecho, Seeqc Quantum Computing es una aplicación específica: la empresa trabaja con socios industriales para ofrecer al mercado, durante los próximos 3 a 5 años, una plataforma de computación cuántica que resuelva problemas específicos.
Aplicaciones que ya se utilizan en la actualidad
La computación cuántica ya cuenta con los primeros en adoptarla. Uno de ellos Estudio de Reply, creado gracias a la plataforma patentada para detectar y monitorear tendencias «trend SONAR», ha identificado los sectores en los que se están desarrollando el mayor número de aplicaciones comerciales: TI, servicios financieros, logística y transporte, ciberseguridad.
En informática, por ejemplo, la computación cuántica se aplica a la detección de anomalías estadísticas, la verificación y validación de software, el entrenamiento de redes neuronales y la clasificación de datos no estructurados. En los servicios financieros, se utiliza, entre otras cosas, para detectar la inestabilidad del mercado, para desarrollar estrategias de negociación, simulaciones de mercado, optimización de carteras y previsiones financieras. En el Cadena de suministrosector del transporte, hay proyectos que explotan el potencial de la computación cuántica para la gestión del tráfico, los vehículos autónomos y la optimización de la red de carga eléctrica.
Ciberseguridad cuántica
Hay otro aspecto de la computación cuántica que es muy relevante: el relacionado conseguridad cibernética. Una potencia como la cuántica requiere rediseñar los métodos para proteger las comunicaciones, las transacciones y cualquier tipo de transferencia de datos: potencialmente, los ordenadores cuánticos pueden superar todas las barreras de la criptografía tradicional. De ahí la carrera por desarrollar una nueva criptografía cuántica, basada en medidas sofisticadas como la distribución de claves cuánticas, los algoritmos de seguridad cuántica y los generadores cuánticos de números aleatorios. La ciberseguridad cuántica será la base de las redes de comunicación cuántica, ya que combinará potencia y velocidad con seguridad. Y aquí es donde Europa también ha entrado en escena.
Europa entra en escena (junto con Italia)
La UE se ha interesado por el campo específico de la criptografía cuántica con el proyecto piloto OpenQKD (Open European Quantum Key Distribution Testbed), que instalará una infraestructura de prueba para las comunicaciones cuánticas en los países europeos. Esta infraestructura incorpora el Qkd (distribución cuántica de claves o distribución cuántica de claves criptográficas), una forma de cifrado ultraavanzado basado en la transmisión de señales ópticas y no radioeléctricas y, por lo tanto, inviolable incluso para los ordenadores cuánticos. El objetivo del proyecto europeo es reforzar la seguridad del intercambio de información en sectores de importancia crítica, empezando por las telecomunicaciones, pero centrándose también en las redes eléctricas, la salud y los servicios públicos. OpenQKD está financiado por la Comisión Europea con 15 millones de euros y durará hasta el 1 de septiembre de 2022. Está coordinado por el AIT (Instituto Austriaco de Tecnología) e involucra a un equipo interdisciplinario de 13 países europeos; tendrá que validar casos de uso concretos y desarrollar un ecosistema de innovación, que incluya universidades, pymes y empresas emergentes.
Italia participa en el proyecto con el grupo de investigación QuantumFuture del Departamento de Ingeniería de la Información de la Universidad de Padua, uno de los vanguardistas internacionales en la investigación de tecnologías cuánticas gracias a los estudios sobre la viabilidad de las comunicaciones cuánticas por satélite (en colaboración con el Centro de Geodesia Espacial de la Agencia Espacial Italiana en Matera), la generación y el control de fenómenos cuánticos como el entrelazamiento para investigar los principios básicos de la mecánica cuántica, el desarrollo de nuevos fotónica dispositivos para aplicaciones de criptografía cuántica y el diseño de nuevos esquemas para producir los estados cuánticos que son fructíferos en la creación de sistemas Qkd.
Italia también participa en la mencionada «Iniciativa emblemática cuántica» de la Comisión Europea: el físico Tommaso Calarco fue uno de los promotores y el Consejo Nacional de Investigación (CNR) coordinará las actividades de nuestro país relacionadas con esta iniciativa.
También en el campo de la CNR, el Consejo Nacional de Investigación (CNR-ino) de Florencia, en colaboración con el Laboratorio Europeo de Espectroscopia No Lineal (Lens) de Florencia, llevó a cabo la primera prueba de campo italiana de un sistema de criptografía cuántica (QKD), un paso inicial para la futura creación de la columna vertebral cuántica italiana (Iqb), o la red de comunicación cuántica italiana, capaz de garantizar la privacidad y la seguridad de los datos de los usuarios, a prueba de ciberataques. Para llevar a cabo la prueba, se utilizó como canal de transmisión una parte de la red troncal italiana de fibra óptica, una red de unos 1.800 km creada por el Instituto Nacional de Investigación Metrológica (Inrim) de Turín que conecta Italia de Turín a Matera.
Entre las tecnologías cuánticas emergentes que se espera que pasen a formar parte de nuestra vida cotidiana en un futuro próximo, explica el CNR, la criptografía es sin duda la más avanzada. De hecho, esta tecnología ya está lo suficientemente madura como para su aplicación masiva fuera de los laboratorios de investigación. Este método permite distribuir de forma segura claves de autenticación, como pines y contraseñas, codificar la información sobre los estados cuánticos de la luz y revelar una posible intrusión gracias a las leyes fundamentales de la física cuántica, como el principio de incertidumbre de Heisenberg.
Europa se está equipando con una innovadora red de comunicaciones cuánticas, EuroQCI, que combina el uso de fibras ópticas comerciales con el de satélites dedicados. En Italia, un país a la vanguardia de las comunicaciones cuánticas y uno de los países fundadores de EuroQCI, se trabaja cada vez más en la posibilidad de integrar esta tecnología con las redes e infraestructuras de fibra óptica ya instaladas, que utilizamos a diario para las telecomunicaciones. «Italia puede aspirar a desempeñar un papel fundamental en el desarrollo futuro de las tecnologías de fibra óptica cuántica», afirma Davide Calonico, investigador del Inrim y coordinador de la infraestructura nacional de fibra óptica Quantum Backbone.
En las directrices políticas presentadas para la Comisión Europea 2019-2024 por la nueva presidenta Ursula von der Leyen, las estrategias digitales ocupan una posición de liderazgo y la computación cuántica, junto con el 5G, la inteligencia artificial y la cadena de bloques, se encuentra entre las tecnologías en las que Europa quiere basar su competitividad en el escenario mundial. Para mantenerse a la altura de sus competidores de Estados Unidos, China y Corea, la Unión Europea jugará la carta del desarrollo en nombre de la ética, la seguridad, la privacidad y la equidad fiscal para proponer un nuevo modelo a otros países. «Juntos, definiremos los estándares para esta nueva generación de tecnologías que se convertirán en la norma mundial», afirmó von der Leyen. El potencial innovador de los datos, la inteligencia artificial, la computación cuántica y la cadena de bloques se puede aprovechar al máximo si se busca «el estilo europeo», es decir, encontrar un equilibrio entre la libre circulación y el uso generalizado de los datos y la defensa de la privacidad, la seguridad y las normas éticas.
Fuente: Digital4.biz, Network Digital360
