¿Para qué sirve la computación cuántica?

Cuando el físico estadounidense Theodore Harold Maiman desarrolló y patentó el primer láser en 1960, la comunidad científica lo recibió como “una solución a la espera de un problema”. Tan solo un año después, el problema llegó y se usó para operar un tumor ocular. Hoy está presente en todas las áreas, desde tecnologías para desviar rayos hasta las redes de telecomunicaciones o la industria militar o la del entretenimiento. Con la computación cuántica sucede algo parecido. Aún no se puede hablar de una computadora cuántica robusta y tolerante a fallos, pero la apuesta por este sistema es firme y las principales empresas que desarrollan tecnología cuántica (Google, IBM, Intel, Amazon y Microsoft, entre otras) ofrecen sus servicios para extender su utilización, favorecer el desarrollo de aplicaciones y tecnologías, y para estar ahí cuando el mercado emerja, que será pronto, en esta década si se cumplen las mejores expectativas. La computación cuántica ya tiene usos en investigación médica, farmacología, industria, finanzas, química y física.

Google. Cuenta con un equipo que ha firmado algunos de los principales avances en este campo (Google Quantum Artificial Intelligence) y ha desarrollado varias versiones de Sycamore, un procesador programable que puede ejecutar algoritmos de simulación de física y química, así como aplicaciones en aprendizaje automático generativo, entre otras áreas. Google forma especialistas para trabajar con estos procesadores y las aplicaciones se generan en código abierto (open source). “Hemos desarrollado un simulador, de manera que cualquiera puede ir a nuestra página web, pinchar en un enlace y empezar a programar. Todo esto, ahora mismo, es código abierto y gratis para fomentar que las aplicaciones se vayan desarrollando en todos los países”, explica Sergio Boixo, físico español integrante del grupo de investigación de Google Quantum Artificial Intelligence (AI).

El procesador Google Sycamore se ha utilizado para la primera simulación cuántica de un agujero de gusano, publicada en Nature para comprobar “que las propiedades de un sistema cuántico coinciden con lo que se espera en un sistema gravitacional”, según Maria Spiropulo, física del Instituto de Tecnología de California (Caltech).

También el profesor de química de Columbia David Reichman y Joonho Lee, con investigadores de Google Quantum AI, han utilizado 16 cúbits del Sycamore para hallar el estado de energía más bajo de una molécula (Nature). “Son los cálculos de química cuántica más grandes que se han realizado en un dispositivo real”, afirma Reichman.

Por su parte, científicos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) y la Universidad de Nottingham han simulado estados de materia cuántica (Science). “Los procesadores cuánticos, a corto plazo, representarán una plataforma ideal para explorar la física de la materia. En un futuro próximo, prometen resolver problemas que están más allá del alcance de las supercomputadoras clásicas actuales”, asegura Frank Pollmann , profesor de la TUM.

IBM. La multinacional dispone del IBM Quantum Network para que los clientes y socios puedan acceder a la computación cuántica de esta compañía, que trabaja ya en el Cóndor, que será el primer procesador universal de más de 1000 cúbits. Qiskit, la comunidad cuántica de programas de código abierto de IBM, tiene 1,8 millones de descargas para desarrollar aplicaciones. “En el Quantum Network ya hay más de 200 instituciones, desde grandes empresas a laboratorios, universidades y socios estratégicos en todo el mundo”, afirma Darío Gil, vicepresidente de IBM y director de la división de investigación (IBM Research) que desarrolla la computación cuántica de esta compañía. Entre ellas se encuentran Boeing, para investigar nuevos materiales, BP para eficiencia energética o Daimler para desarrollo de baterías.

Cleveland Clinic e IBM han desplegado la primera computadora cuántica en el sector médico privado en los Estados Unidos. “El ritmo actual de los descubrimientos científicos es inaceptablemente lento, mientras que nuestras necesidades de investigación están creciendo exponencialmente. No podemos darnos el lujo de emplear una década o más pasando de una idea de investigación en un laboratorio a terapias en el mercado. Quantum ofrece un futuro para transformar este ritmo, particularmente en el descubrimiento de fármacos y el aprendizaje automático”, asegura Lara Jehi, directora de Información de Investigación de la entidad médica.

Pouyan Ghaemi, físico del City College de Nueva York, ha utilizado las computadoras cuánticas de IBM para estudiar y predecir cómo evoluciona el estado de un gran número de partículas cuánticas que interactúan con el tiempo. “Nuestro algoritmo de computación cuántica abre una nueva vía para estudiar las propiedades de los materiales resultantes de fuertes interacciones entre electrones. Como resultado, potencialmente, puede guiar la búsqueda de materiales útiles, como superconductores de alta temperatura”, explica Ghaemi, que publicó su investigación en Physical Review Letters.

Guillermo García-Pérez , físico en la Universidad de Helsinki, en colaboración con IBM, ha publicado en PRX Quantum, una fórmula para reducir el número de cálculos necesarios para leer los datos almacenados en el estado de un procesador cuántico. “Aprovechamos al máximo cada muestra combinando todos los datos producidos. Al mismo tiempo, ajustamos la medición para producir estimaciones altamente precisas. Juntando estos ingredientes, podemos disminuir el tiempo de ejecución esperado en varios órdenes de magnitud”, explica García-Pérez.

Intel. Tras lanzar su versión beta en septiembre de 2022, Intel Quantum ha lanzado en febrero la versión 1.0 del Kit de Desarrollo de Software (SDK, por sus siglas en inglés), disponible en Intel Developer’s Cloud. El SDK, según la compañía, es una computadora cuántica en simulación que también puede ejecutar algoritmos híbridos cuántico-clásicos. El Intel Quantum Simulator (IQS) es capaz de albergar 32 cúbits en un solo nodo y más de 40 en varios nodos.

“El SDK Intel Quantum ayuda a los programadores a prepararse para las computadoras cuánticas comerciales a gran escala del futuro. No sólo ayuda a los desarrolladores a aprender a crear algoritmos y aplicaciones cuánticas en simulación, sino que también hace avanzar a la industria creando una comunidad de desarrolladores que acelerará el desarrollo de aplicaciones”, afirma Anne Matsuura, directora de Aplicaciones y Arquitectura Cuántica en Intel Labs.

El Instituto de Tecnología Deggendorf de Munich, ha utilizado el SDK para explorar la dinámica de fluidos en problemas de hidrodinámica y aerodinámica. También investiga casos de uso cuántico para la eliminación de ruido de imágenes y la generación de imágenes realistas, así como la resolución de problemas de búsqueda no estructurados, aprendizaje automático, simulación de materiales y problemas de astrofísica. “El SDK Intel Quantum cambia las reglas del juego en el ámbito del desarrollo cuántico porque permite al desarrollador operar a un nivel más cercano al hardware para aprovechar mejor los recursos”, afirma Yaknan Gambo, estudiante de posgrado del Instituto de Tecnología Deggendorf.

Intel trabaja con otras cuatro universidades para desarrollar planes de estudios y expandir el uso de la computación cuántica en el mundo académico: Pensilvania, Keio, Estatal de Ohio y Estatal de Pensilvania.

Microsoft. Azure Quantum es la plataforma de computación cuántica en la nube de Microsoft. El Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA utiliza la tecnología cuántica de esta multinacional para explorar formas de comunicarse de manera más eficiente con las naves espaciales a través de la Red de Espacio Profundo (DSN), un entramado global de grandes antenas de radio ubicadas en California, España y Australia.

También se utiliza en el ámbito médico. “Los algoritmos optimizados de inspiración cuántica resuelven, de verdad, nuestros problemas difíciles y permiten que la imagen por resonancia magnética sea más rápida, económica y eficaz”, explica el radiólogo Mark Griswold.

Y en la industria. Para Patrick Ellis, director de Ford Research, la ventaja cuántica es que es capaz de aportar soluciones en “áreas problemáticas, dónde está realmente el valor”.

Amazon Web Services. Después de 17 años, Amazon Web Services (AWS) cuenta con más de 200 servicios completos para computación, desde 99 Zonas de Disponibilidad dentro de 31 regiones geográficas, incluida la recientemente abierta Región de infraestructura de AWS en España con varios centros de datos. A estas regiones se incorporarán Canadá, Israel, Malasia, Nueva Zelanda y Tailandia.

Hace cuatro años incorporó Amazon Braket, creado para acelerar la investigación científica y la informática. Este es un servicio completamente administrado que permite el uso de diferentes computadoras cuánticas y simuladores. Además, cuentan con un equipo de ayuda (Amazon Quantum Solutions Lab) y dos centros de investigación para computación y redes (AWS Center for Quantum Computing y AWS Center for Quantum Networking)

La Universidad de Harvard y Amazon Web Services mantienen desde el pasado septiembre una alianza estratégica para la investigación y la innovación en redes con el objetivo de desarrollar métodos y tecnologías fundamentales para una internet cuántica. “El trabajo conjunto de la academia y la industria puede acelerar el descubrimiento y el progreso tecnológico”, asegura el rector de Harvard, Alan M. Garber.

“Harvard tiene una serie de grupos de investigación que se dedican a temas de información cuántica y, específicamente, en el área de redes cuánticas tiene tienen algunos de los grupos más más punteros de Estados Unidos. Es una forma de colaborar que nos parece muy productiva y en tres grandes aspectos: investigación, porque todavía queda mucha por hacer, financiación de equipos y desarrollo profesional, formando a estudiantes”, explica Antía Lamas-Linares, responsable de redes cuánticas en AWS.

Con AWS trabaja el fabricante BMW para analizar los movimientos robóticos en la planta de producción o el grupo bancario de inversión Goldman Sachs. También se han utilizado sus servicios en investigación farmacéutica para optimizar ensayos clínicos y reducir su coste.

También emplean sus servicios la compañía francesa Pasqal, que ha desarrollado el programa QUBEC de simulaciones químicas, y el Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN), que busca aplicaciones en física de altas energías y física fundamental. Desde este febrero, AWS cuenta con Lucy, la computadora cuántica de ocho cúbits de Oxford Quantum Circuits, llamada así por la pionera alemana de la mecánica cuántica Lucy Mensing.

España. Las primeras computadoras cuánticas se instalarán en el Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) como parte del consorcio de supercomputación European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU). Además, el pasado año, 13 entidades españolas iniciaron el proyecto CUCO para investigar el uso de la computación cuántica y su aplicación a cinco industrias estratégicas: energía, finanzas, espacio, defensa y logística.

Para el próximo año, IBM desplegará su primer Quantum Computational Center en San Sebastián, proporcionando servicios Qiskit Runtime a la región desde un Quantum System One de 127 cúbits.

Entre las iniciativas privadas con más años de uso figuran la del banco español BBVA, que ha analizado distintas tecnologías cuánticas y tradicionales para mejorar el proceso de optimización de carteras de inversión con datos de mercado, según refleja Quantum Physics. Desde 2018, la entidad financiera colabora en proyectos cuánticos con empresas y entidades como IBM, Fujitsu, Accenture, Zapata y el Centro Superior de Investigaciones científicas (CSIC).

IESE Business School, la escuela de negocios de la Universidad de Navarra, también utiliza la computación cuántica en sus aulas para ayudar a los estudiantes a resolver problemas comerciales reales.