Le Monde Diplomatique Edición Cono Sur - edición nro 225 - marzo de 2018
UN SALTO TECNOLÓGICO DE ALCANCES IMPREDECIBLES
LA CARRERA CUÁNTICA - POR BRUNO MASSARE*
La puja entre gigantes tecnológicos y países por obtener una máquina cuántica capaz de abordar problemas imposibles para las computadoras actuales está muy cerca de definirse.
Una carrera de patentes y contratos millonarios se suma a una posible revolución del conocimiento.-
Pensada como un concepto superador de las computadoras a principios de 1980 por científicos como el físico ganador del Nobel Richard Feynman, la idea de una máquina cuántica tuvo que vencer un primer obstáculo para volverse viable: pasar de la teoría a la práctica.
La promesa de un invento que podía resolver problemas imposibles para la capacidad de las computadoras tradicionales entró así en una suerte de letargo.
Sin embargo, hace poco, los proyectos parecieron revivir. “En los últimos años hubo grandes avances que volvieron a demostrar que es posible”, dice Miguel Larotonda, doctor en Física e investigador en el Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (CITEDEF) de Argentina.
“Sucede que uno no vive ni piensa con una lógica cuántica, sino que lo que siente y tiene alrededor son objetos macroscópicos que responden a las leyes de la física clásica”.
La reactivación del entusiasmo por la computación cuántica derivó en una carrera frenética entre gigantes de la industria tecnológica como Google, IBM, Microsoft e Intel por alcanzar la “supremacía cuántica”, es decir, demostrar que una máquina cuántica es capaz de hacer cosas que su equivalente clásica no puede.
Pero la carrera no es sólo por la gloria. En el medio está el botín de la propiedad intelectual y jugosos contratos con gobiernos y empresas, ávidos de contar con una capacidad de procesamiento inédita para ciertos problemas matemáticos que podría revolucionar áreas de la química, la biología, la inteligencia artificial y buena parte de la actual arquitectura de seguridad de Internet.
“Hoy cualquier persona que trabaja seriamente en este campo sabe que vamos a tener computadoras cuánticas en un par de años”, dice Christian Schmiegelow, director del Laboratorio de Iones y Átomos Fríos (LIAF) del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires (UBA).
Schmiegelow trabaja en la puesta a punto de un laboratorio para la experimentación con estas tecnologías que recibió un subsidio del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva de más de 17 millones de pesos.
LARGA VIDA AL CÚBIT
Mientras que los transistores de un chip en una computadora clásica trabajan a nivel de voltajes eléctricos (donde las unidades de información –bits– son ceros y unos), en la computación cuántica una partícula –o cúbit– puede ser cero, uno o ambos valores al mismo tiempo.
También puede al mismo tiempo presentarse en más de un estado, fenómeno conocido como superposición.
A la gran ventaja que supone la capacidad de los cúbits de representar más de un valor, se le suma que éstos pueden quedar vinculados (o enmarañados) de manera que una operación afecte al resto.
Estas características le permitirían a una computadora cuántica descartar rápidamente caminos incorrectos a una solución y resolver problemas hasta ahora inalcanzables.
Por ejemplo, resolver el algoritmo de Shor, lo que permitiría romper la criptografía de clave pública, base de la actual seguridad en Internet, una tarea imposible para la capacidad de las computadoras que conocemos.
No obstante, para obtener una computadora cuántica funcional es necesario que esos estados puedan manipularse.
Pero los estados cuánticos son muy frágiles y difíciles de controlar. “Con un cúbit no se puede hacer nada. Son necesarios un conjunto de ellos para realizar cálculos.
Para eso se necesita manipular a esos cúbits y que sigan manteniendo sus propiedades.
Esto último es lo más difícil. Hay que llegar a temperaturas muy bajas para lograr eso, para aislarlos del entorno”, explica la doctora en Física Liliana Arrachea, directora adjunta del Centro Internacional de Estudios Avanzados de la Universidad Nacional de San Martín.
En los últimos avances, como en el caso de la computadora de 50 cúbits que IBM presentó a fines de 2017, el estado cuántico se mantiene por apenas 90 microsegundos.
Por esa razón, uno de los grandes desafíos que persigue la comunidad científica es el de mantener un cúbit “vivo” por un tiempo indefinido.
“Nadie pudo hacerlo todavía. Hay experimentos con cúbits en sistemas físicos que se mantienen mucho tiempo, por minutos y horas, porque el sistema se conserva particularmente aislado del entorno”, dice Schmiegelow en un laboratorio de Ciudad Universitaria con láseres, cámaras de ultra alto vacío, espejos y trampas de iones.
Frente a esta dificultad, un atajo hacia el objetivo de obtener una computadora cuántica programable es el desarrollo de simuladores cuánticos, es decir, de máquinas especialmente diseñadas para imitar sistemas complejos.
La diferencia con respecto a una máquina programable reside en que su diseño es aplicado a la resolución de un problema en particular en áreas como la química y la física de estado sólido.
DE LA ÓPTICA A LOS MATERIALES
Las dos principales aproximaciones experimentales a una arquitectura de computación cuántica provienen de dos tradiciones de la física: los superconductores (materiales) y los iones (óptica).
En la primera, se trata de un átomo “ingenierizado”, es decir, un objeto construido mediante ingeniería de materiales –como aluminio y plomo– que imita el comportamiento de un átomo.
En la segunda, son átomos que se encuentran en la naturaleza, a los que se busca aislar y manipular mediante diversas técnicas, como el láser y los campos magnéticos.
Las inversiones en investigación realizadas por empresas como IBM y Google se basan en chips que se hacen con uniones de superconductores y que se comportan como un cúbit.
“Es lo más parecido a los chips que uno tiene actualmente, pero deben estar muy refrigerados ya que la superconductividad se logra con temperaturas cercanas al cero absoluto (por debajo de los 273 grados Celcius bajo cero)”, explica Arrachea. Ésta es una barrera considerable a la hora de pensar en los modelos comerciales de estas computadoras.
Los superconductores también son el principio de la tecnología de D-Wave Systems, la empresa canadiense que vende computadoras de hasta 2.000 cúbits específicamente diseñadas para ciertos problemas matemáticos –al módico precio de 15 millones de dólares–, y cuyo funcionamiento ha sido cuestionado desde el ámbito académico: su capacidad para mantener estados cuánticos es muy frágil y su supuesto mayor rendimiento comparado con el de computadoras clásicas ha sido objeto de controversia (1).
La otra variante son las plataformas de iones y átomos fríos, en las que se atrapan átomos mediante trampas magnéticas, bombas de vacío y medios ópticos como el láser, técnicas que utiliza en Argentina el LIAF.
Los avances en esta tecnología provienen en su mayoría de laboratorios del ámbito de investigación universitario, tanto de Estados Unidos –con desprendimientos empresarios como IonQ, fundada por científicos de Duke y Maryland– como de Europa, en ciertos casos con financiamiento público y del sector de defensa e inteligencia, como la estadounidense IARPA.
“Nosotros usamos láseres y los que trabajan con materiales ponen ondas de microondas. Pero los dos necesitamos trabajar a una temperatura tan baja como para que las vibraciones externas no interfieran”, explica Schmiegelow.
Además de los superconductores y los iones, existe una tercera plataforma en pugna que se basa en el uso de materiales topológicos.
Su principal inversionista es el gigante Microsoft y se considera que, de resultar viable, podría ser superadora de las anteriores.
“Los materiales superconductores no existen en la naturaleza, sino que son diseñados para que cumplan con ciertas propiedades. Por ahora es una propuesta teórica, pero si sale bien va a tener un gran impacto”, dice Arrachea.
La empresa de Bill Gates, la principal financiadora del proyecto, pronosticó que tendrá una máquina comercializable en un plazo de cinco años (2).
EN BUSCA DE LA SUPREMACÍA
Lo que hasta hace una década era un problema de laboratorio pasó a ser una carrera entre gigantes de la industria informática que pelean por sumar a los mejores cerebros de las universidades.
Si bien hay coincidencia en que IBM y Google son los más cercanos a lograr la máquina cuántica, el fabricante de chips Intel también se sumó a la carrera con la presentación de un chip de 49 cúbits superconductores en la última feria CES de Las Vegas 2017.
A estas empresas se les suman Microsoft (con una vía más experimental pero prometedora), D-Wave y varios desprendimientos de empresas y universidades que se transformaron en un imán para fondos de inversión tecnológicos.
Salvo la canadiense D-Wave, el resto son empresas nacidas y con base en Estados Unidos, lo que denota la velocidad con la que avanzan en ese país con respecto a Europa, continente en el que los estadounidenses financian investigaciones en institutos y universidades.
Como forma de revertir esta situación, la Unión Europea lanzó en 2017 un programa regional para promover las tecnologías cuánticas con 1.000 millones de euros en financiamiento público a partir de este año.
China no quiere quedarse atrás y lanzó el año pasado una plataforma de computación cuántica en la nube a partir de un proyecto conjunto entre el gigante del comercio electrónico Alibaba y la Academia de Ciencias de ese país.
Pan Jianwei, líder de la iniciativa, pronosticó que en un plazo de cinco a diez años China dispondrá de computadoras cuánticas con cientos de cúbits.
Schmiegelow cree que la tecnología elegida será determinante:
“Las primeras computadoras cuánticas funcionales, de algunas decenas de cúbits, estimo que serán de iones. Pero en algún momento los superconductores les van a ganar. Y es probable que las que utilizan cúbits topológicos vengan desde atrás y ganen la carrera”.
Arrachea expresa cierta preocupación que, sostiene, se extiende en la comunidad científica con respecto a las consecuencias del desembarco de las grandes empresas en un terreno hasta hace poco sólo ocupado por la investigación básica.
“Las empresas obligan a firmar compromisos. Hay investigadores que trabajan con superconductores topológicos, en colaboración con Microsoft, que firmaron ciertos logros con plazos.
Imagino que, desde el punto de vista de la empresa, ellos no querrán perderse la oportunidad de tener la patente, pero es algo que todavía se está validando experimentalmente”.
SOLUCIÓN BUSCA PROBLEMA
¿Qué soluciona la computación cuántica que justifique inversiones millonarias y de alto riesgo por parte de empresas que cotizan en bolsa y necesitan rendir cuentas ante sus inversores?
La respuesta todavía está abierta, pero algunos la encuentran en el láser, una tecnología que en el momento de su descubrimiento no tenía un fin preciso.
“Creo que el gran aporte de las computadoras cuánticas será el problema original para el que se las pensó: simular sistemas físicos”, opina Schmiegelow.
Esto podría servir para emular moléculas y reacciones químicas para la investigación de nuevos materiales, fármacos o catalizadores industriales.
“El gran problema tecnológico en sistemas físicos –y que mueve mucho dinero– es encontrar drogas que hagan ciertas cosas y simular estructuras de proteínas, por ejemplo.
Para eso no sólo habrá que tener computadoras cuánticas, sino trabajar en algoritmos que permitan aprovecharlas”, advierte el investigador de la UBA.
Investigaciones preliminares también permiten especular con la posibilidad de aprovechar las ventajas de procesamiento que ofrecería una computadora en el campo de la inteligencia artificial, como el desarrollo de nuevas técnicas de aprendizaje automático.
LA GRAN ZANJA
En una carrera en la que compiten los laboratorios de los países más avanzados del planeta y grandes corporaciones que tienen una capacidad económica equiparable a la de muchas naciones,
---¿qué rol le queda al resto del mundo en la investigación en computación cuántica?
---¿Qué tan grande es la brecha?
---¿El resto de los países deberá limitarse a ser sólo usuario de esta tecnología?
“En la física de la materia condensada, en los laboratorios veo una brecha muy grande, tremenda. No así en teoría, ni en calidad de los recursos humanos. Los teóricos podemos trabajar con recursos modestos, con un escritorio y una computadora, y con buenos contactos en el exterior es posible acceder a equipamiento experimental”, dice Arrachea.
“Lo que entienden muy bien en Alemania y en Estados Unidos, y en Argentina parece no estar tan claro, es que estas inversiones que son de riesgo dan lugar a subproductos que pueden tener impacto económico en el mediano plazo”.
Larotonda, desde su laboratorio de investigación en el CITEDEF, apunta a las dificultades que representa la compra de equipos:
---“Consume casi todo el presupuesto disponible y suele tener muchas demoras, aunque son dificultades históricas. En ese contexto, un error de estimación en lo que se quiere comprar puede ser casi letal para un proyecto”, dice.
¿Qué hacer desde un país como Argentina? “Si bien hemos probado ideas vinculadas con la computación cuántica a nivel experimental, fabricar una computadora implicaría un volumen de dinero que en Argentina está limitado no sólo por el presupuesto de ciencia y tecnología, sino por la disponibilidad de gente formada”, dice el doctor en Física Juan Pablo Paz, uno de los pioneros de la física cuántica en América Latina.
Sin embargo, Paz rescata el valor de poner en marcha laboratorios como el LIAF, que no sólo sirven para hacer experimentos, sino también para entender la tecnología que se desarrolla en otros lugares:
---“La ciencia básica también juega ese rol. Si en algún momento se considera que hay que invertir en eso, permite estar al nivel como para hacerlo”.
Schmiegelow coincide:
---“Yo no podría armar hoy un equipo argentino que sepa gastar el dinero que reclamaría una computadora cuántica. Dentro de cinco o seis años tal vez sí, pero habría que ver si entonces es la inversión a realizar, porque las computadoras cuánticas van a estar accesibles en la nube (como servicio de procesamiento, a través de Internet).
---Lo que sí podemos hacer es apuntar al desarrollo de tecnologías cuánticas específicas, que es a lo que estamos apuntando con este laboratorio y con proyectos de colaboración que buscamos realizar con organismos como el INTI (el Instituto Nacional de Tecnología Industrial)”.
El investigador de la UBA también ve una oportunidad en identificar problemas que podría solucionar la computación cuántica:
---“Se podría pensar en grupos interdisciplinarios de gente que sepa de cuántica, de algorítmica, de medicina, de farmacología, de materiales, de biología y de simulaciones, que se planteen como línea de trabajo identificar cuáles son los problemas numéricos que hoy le interesan a la industria que una computadora cuántica podría resolver y desarrollar el software para eso”.
NOTAS:
1. https://www.nature.com/news/d-wave-upgrade-how-scientists-are-using-the-world-s-most-controversial-quantum-computer-1.21353
2. https://www.bloomberg.com/news/articles/2017-12-11/microsoft-takes-path-less-traveled-to-build-a-quantum-computer
* Periodista.
Le Monde diplomatique, edición Cono Sur
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