Computación cuántica desde la tierra del chontaduro

Si ha estado descuidado con las noticias de ciencia de los últimos meses hay una que no debería ignorar: las mejores mentes de este planeta, y también las más millonarias, están metidas en una carrera por desarrollar un computador cuántico. ¿Qué es un computador cuántico? Una máquina que podría hacer parecer a los computadores actuales simples ábacos para niños.

El año pasado un par de noticias dejaron sudando frío a más de uno. Los primeros días de febrero de 2019, IBM presentó una gran caja de vidrio negro, de dos metros de largo por dos de ancho, con su primer computador cuántico incorporado: el IBM Q System One. Descrestaron a unos pero no a otros que sabían que en esta carrera, como en las de la Fórmula 1, hay que demostrar las victorias con velocidad. IBM no había logrado la “supremacía cuántica”, hacer algo que ningún computador clásico pueda hacer. (IBM lanzó un computador cuántico, pero qué diablos es un computador cuántico).

Siete meses después, en septiembre del año pasado, Google, otro de los gigantes en esta carrera, dijo que había logrado esa supremacía: su procesador cuántico había realizado en tan solo tres minutos y veinte segundos un cálculo que a la supercomputadora más avanzada de hoy le tomaría alrededor de 10.000 años. El debate técnico sobre el verdadero alcance del anuncio fue acalorado. (Lea: Google anuncia que logró la “supremacía cuántica” con un computador).

Chinos, estadounidenses, europeos y grupos en otras potencias económicas están explorando las mejores estrategias para ganar la carrera. Con pocos recursos pero buenas ideas y tenacidad, tres físicos colombianos decidieron hace varios años que también se sumaban al desafío. Se trata de John Henry Reina Estupiñán, director del reciente Centro de Investigación e Innovación en Bioinformática y Fotónica (Cibiofi), de la Universidad del Valle; Cristian Edwin Susa Quintero, profesor de Física de la Universidad de Córdoba, y Andrés Felipe Ducuara García, estudiante de doctorado en Ingeniería Cuántica en la Universidad de Bristol, Reino Unido. (Lea: Entrevista con José Ignacio Latorre “Los computadores cuánticos ponen en jaque la economía, la política y la seguridad”).

Ayer los tres ganaron el Premio Alejandro Ángel Escobar en la categoría Ciencias Exactas, Físicas y Naturales por un trabajo titulado “Propiedades cuánticas de sistemas físicos: contribuciones a la teoría de la información y al desarrollo de tecnologías cuánticas”.

Los tres se conocieron en los salones de la U. del Valle. John Reina había regresado de la U. de Oxford en 2005, tras concluir un doctorado, con muchas ganas de impulsar el estudio de ciencias de la información cuántica en Colombia. En Inglaterra trabajó en modelos para procesar información cuántica usando átomos artificiales. “Los átomos artificiales son nanoestructuras que se generan con diferentes materiales y tienen diferentes propiedades electrónicas que simulan la estructura de los átomos naturales”, explica Reina. “Allí se pueden depositar electrones que interactúan entre sí. Controlar esas interacciones, por ejemplo usando láseres o campos magnéticos, permite implementar compuertas cuánticas, que son la base de la computación cuántica”.

Un alumno que quedó descrestado con todas esas ideas fue Cristian Susa. Apenas iba en tercer semestre, pero decidió meterle el diente al tema. Leyó, tomó otros cursos, se sumó al grupo de investigación de Reina, hizo su maestría en la U. del Valle y luego siguió con un doctorado en la misma universidad. Una parte de los esfuerzos de Susa se concentraron en plantear a nivel teórico las posibilidades de controlar moléculas individuales para convertirlas en la base de computadores cuánticos: el hardware. Otros grupos como Google usan corrientes superconductoras a temperaturas muy bajas (ultrafrías) y otros átomos ionizados, trampas de iones o átomos artificiales, como hizo Reina en Inglaterra.

(Puede interesarle: Premio por transformar realidades complejas)

Larry Greenemeier, editor de tecnología de la revista Scientific American, explicaba la diferencia entre los computadores convencionales y los cuánticos de la siguiente manera: “En un procesador de computadora convencional, un transistor es como una moneda con la cara hacia arriba o hacia abajo. Pero si te pregunto si esa moneda es cara o sello mientras está girando, podrías decir que la respuesta es ambas. Eso es lo que constituye una computadora cuántica… Trescientas monedas, todavía un número relativamente pequeño, representarían más estados que átomos en el universo”. En el caso del trabajo de Reina y Susa, esas monedas son las moléculas individuales acopladas en una red cuántica que eligieron estudiar y reemplazarían la corriente de los transistores clásicos.

Pero ahí no termina el aporte de los tres físicos. También estudiaron las extrañas propiedades, correlaciones, que se establecen entre las partículas cuánticas, entre los bits cuánticos o qubits, la unidad básica de la información cuántica. Una tarea que continuó y amplió Andrés Ducuara. “Estamos hablando de un procesamiento masivo de información, en paralelo, porque todo se hace simultáneamente, a diferencia de los computadores clásicos. Entender las propiedades de estos qubits y la forma en que se hablan entre ellos fue parte del trabajo de Andrés", explicó Reina.

En 2015, gracias a un proyecto de regalías, Reina logró consolidar un laboratorio dotado con láseres de alta resolución y dispositivos ópticos y mecánicos, y así pasar de la teoría a la experimentación cuántica. El trabajo teórico de todos estos años, junto a algunos experimentos de laboratorio, ha ido quedando consolidado en una serie de artículos científicos publicados en revistas de alto impacto. En palabras del jurado del premio, el más prestigioso del país en ciencia, “es un trabajo increíblemente bien hecho. Con un estándar técnico muy alto, con investigadores locales, pero al mismo tiempo la investigación muestra un alto relacionamiento internacional. Propone aplicaciones en todos los campos que ya está generando una nueva revolución. Las contribuciones que hace no solo abordan aspectos teóricos, sino teoría de juegos; también habla de la teoría de la información y de la posibilidad de crear dispositivos cuánticos”.

Cristian Susa, después de terminar su doctorado y una estancia en la U. de Oxford, aceptó una plaza como docente en la U. de Córdoba en Montería. Sabe muy bien que se enamoró de un campo de la ciencia en el que Colombia, pese a la advertencia de la Misión de Sabios de invertir más en este campo por su importancia estratégica, hace pocos esfuerzos. “A veces uno se siente frustado por no sacar mas provecho a estos temas en los que otros gobiernos invieten tanto. Los computadores que conocemos hoy van a quedar rezagados en esta o en la generación de nuestros hijos. Así que tendrá que llegar el despertar de las entidades gubernamentales para apostar por este tipo de investigación. Decidí quedarme porque si nos vamos todos de Colombia, el país nunca podría crear ese tipo de ciencia”.

Algún día, con más dinero y voluntad política, debería ser posible con estos y otros aportes construir un primer computador cuántico en la capital del chontaduro o en otro rincón del país.

Si ha estado descuidado con las noticias de ciencia de los últimos meses hay una que no debería ignorar: las mejores mentes de este planeta, y también las más millonarias, están metidas en una carrera por desarrollar un computador cuántico. ¿Qué es un computador cuántico? Una máquina que podría hacer parecer a los computadores actuales simples ábacos para niños.

El año pasado un par de noticias dejaron sudando frío a más de uno. Los primeros días de febrero de 2019, IBM presentó una gran caja de vidrio negro, de dos metros de largo por dos de ancho, con su primer computador cuántico incorporado: el IBM Q System One. Descrestaron a unos pero no a otros que sabían que en esta carrera, como en las de la Fórmula 1, hay que demostrar las victorias con velocidad. IBM no había logrado la “supremacía cuántica”, hacer algo que ningún computador clásico pueda hacer. (IBM lanzó un computador cuántico, pero qué diablos es un computador cuántico).

Siete meses después, en septiembre del año pasado, Google, otro de los gigantes en esta carrera, dijo que había logrado esa supremacía: su procesador cuántico había realizado en tan solo tres minutos y veinte segundos un cálculo que a la supercomputadora más avanzada de hoy le tomaría alrededor de 10.000 años. El debate técnico sobre el verdadero alcance del anuncio fue acalorado. (Lea: Google anuncia que logró la “supremacía cuántica” con un computador).

Chinos, estadounidenses, europeos y grupos en otras potencias económicas están explorando las mejores estrategias para ganar la carrera. Con pocos recursos pero buenas ideas y tenacidad, tres físicos colombianos decidieron hace varios años que también se sumaban al desafío. Se trata de John Henry Reina Estupiñán, director del reciente Centro de Investigación e Innovación en Bioinformática y Fotónica (Cibiofi), de la Universidad del Valle; Cristian Edwin Susa Quintero, profesor de Física de la Universidad de Córdoba, y Andrés Felipe Ducuara García, estudiante de doctorado en Ingeniería Cuántica en la Universidad de Bristol, Reino Unido. (Lea: Entrevista con José Ignacio Latorre “Los computadores cuánticos ponen en jaque la economía, la política y la seguridad”).

Ayer los tres ganaron el Premio Alejandro Ángel Escobar en la categoría Ciencias Exactas, Físicas y Naturales por un trabajo titulado “Propiedades cuánticas de sistemas físicos: contribuciones a la teoría de la información y al desarrollo de tecnologías cuánticas”.

Los tres se conocieron en los salones de la U. del Valle. John Reina había regresado de la U. de Oxford en 2005, tras concluir un doctorado, con muchas ganas de impulsar el estudio de ciencias de la información cuántica en Colombia. En Inglaterra trabajó en modelos para procesar información cuántica usando átomos artificiales. “Los átomos artificiales son nanoestructuras que se generan con diferentes materiales y tienen diferentes propiedades electrónicas que simulan la estructura de los átomos naturales”, explica Reina. “Allí se pueden depositar electrones que interactúan entre sí. Controlar esas interacciones, por ejemplo usando láseres o campos magnéticos, permite implementar compuertas cuánticas, que son la base de la computación cuántica”.

Un alumno que quedó descrestado con todas esas ideas fue Cristian Susa. Apenas iba en tercer semestre, pero decidió meterle el diente al tema. Leyó, tomó otros cursos, se sumó al grupo de investigación de Reina, hizo su maestría en la U. del Valle y luego siguió con un doctorado en la misma universidad. Una parte de los esfuerzos de Susa se concentraron en plantear a nivel teórico las posibilidades de controlar moléculas individuales para convertirlas en la base de computadores cuánticos: el hardware. Otros grupos como Google usan corrientes superconductoras a temperaturas muy bajas (ultrafrías) y otros átomos ionizados, trampas de iones o átomos artificiales, como hizo Reina en Inglaterra.

(Puede interesarle: Premio por transformar realidades complejas)

Larry Greenemeier, editor de tecnología de la revista Scientific American, explicaba la diferencia entre los computadores convencionales y los cuánticos de la siguiente manera: “En un procesador de computadora convencional, un transistor es como una moneda con la cara hacia arriba o hacia abajo. Pero si te pregunto si esa moneda es cara o sello mientras está girando, podrías decir que la respuesta es ambas. Eso es lo que constituye una computadora cuántica… Trescientas monedas, todavía un número relativamente pequeño, representarían más estados que átomos en el universo”. En el caso del trabajo de Reina y Susa, esas monedas son las moléculas individuales acopladas en una red cuántica que eligieron estudiar y reemplazarían la corriente de los transistores clásicos.

Pero ahí no termina el aporte de los tres físicos. También estudiaron las extrañas propiedades, correlaciones, que se establecen entre las partículas cuánticas, entre los bits cuánticos o qubits, la unidad básica de la información cuántica. Una tarea que continuó y amplió Andrés Ducuara. “Estamos hablando de un procesamiento masivo de información, en paralelo, porque todo se hace simultáneamente, a diferencia de los computadores clásicos. Entender las propiedades de estos qubits y la forma en que se hablan entre ellos fue parte del trabajo de Andrés", explicó Reina.

En 2015, gracias a un proyecto de regalías, Reina logró consolidar un laboratorio dotado con láseres de alta resolución y dispositivos ópticos y mecánicos, y así pasar de la teoría a la experimentación cuántica. El trabajo teórico de todos estos años, junto a algunos experimentos de laboratorio, ha ido quedando consolidado en una serie de artículos científicos publicados en revistas de alto impacto. En palabras del jurado del premio, el más prestigioso del país en ciencia, “es un trabajo increíblemente bien hecho. Con un estándar técnico muy alto, con investigadores locales, pero al mismo tiempo la investigación muestra un alto relacionamiento internacional. Propone aplicaciones en todos los campos que ya está generando una nueva revolución. Las contribuciones que hace no solo abordan aspectos teóricos, sino teoría de juegos; también habla de la teoría de la información y de la posibilidad de crear dispositivos cuánticos”.

Cristian Susa, después de terminar su doctorado y una estancia en la U. de Oxford, aceptó una plaza como docente en la U. de Córdoba en Montería. Sabe muy bien que se enamoró de un campo de la ciencia en el que Colombia, pese a la advertencia de la Misión de Sabios de invertir más en este campo por su importancia estratégica, hace pocos esfuerzos. “A veces uno se siente frustado por no sacar mas provecho a estos temas en los que otros gobiernos invieten tanto. Los computadores que conocemos hoy van a quedar rezagados en esta o en la generación de nuestros hijos. Así que tendrá que llegar el despertar de las entidades gubernamentales para apostar por este tipo de investigación. Decidí quedarme porque si nos vamos todos de Colombia, el país nunca podría crear ese tipo de ciencia”.

Algún día, con más dinero y voluntad política, debería ser posible con estos y otros aportes construir un primer computador cuántico en la capital del chontaduro o en otro rincón del país.