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7 Jun 2022 - 11:00 a. m.

Un colombiano en otro gran paso de la computación cuántica

Hace unos días fue presentado en la revista Nature un artículo que sorprendió al mundo de la ciencia: con él demostraron que una computadora cuántica logró resolver en una pequeña fracción de tiempo un problema que tardaría miles de años a un computador normal. ¿Qué implica este avance? Conversamos con Nicolás Quesada, el físico colombiano que hizo parte de este trabajo.
Sergio Silva Numa

Sergio Silva Numa

Editor Salud - Medio Ambiente - Ciencia - Educación
Ilustración que muestra el funcionamiento de "Borealis". / Xanadu
Ilustración que muestra el funcionamiento de "Borealis". / Xanadu

Hace unos días la prestigiosa revista Nature publicó un artículo que emocionó a muchos físicos. En él, una docena de investigadores explicaba cómo habían fabricado un procesador -la forma más simple de un computador- que logró algo con lo que hace años han soñado algunos científicos: una ventaja computacional cuántica.

La noticia, poco a poco, le empezó a dar la vuelta al mundo con títulos que ponen a volar la imaginación: “Por primera vez, una computadora cuántica avanzada disponible para el público”, anotó el portal New Scientist, especializado en asuntos de ciencia. “La empresa canadiense Xanadu logra un ‘gran salto’ en la carrera de computadoras cuánticas”, apuntó, por su parte, el diario The Globe and Mail.

No era la primera vez que estos términos se popularizaban en medios y redes sociales. A finales del año pasado, IBM también puso a fantasear al mundo de la ciencia al presentar el que entonces calificó como “el computador cuántico más potente que existe”. Eagle (“águila”, en español) fue el nombre que esa multinacional había elegido para ese poderoso artefacto, cuya presentación fue hecha con adjetivos prometedores. Google y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China son los otros dos actores que también se han sumado a esta carrera por desarrollar una computadora cuántica. (Lea: La NASA tendrá nuevos trajes espaciales (y estas dos empresas ayudarán a diseñarlo))

Hoy, más de un semestre después, el protagonista de este nuevo capítulo es la empresa Xanadu, de Canadá. La máquina que presentó en Nature tiene un nombre un poco más difícil de recordar: Borealis. Es, explicaron en un comunicado de prensa, “la computadora cuántica fotónica más grande jamás construida y la primera de su tipo en ser accesible al público”.

Cuando le pedimos Nicolás Quesada que trate de explicar de la manera más simple posible lo que significa este anuncio, lo primero que hace es una advertencia: “Es muy difícil porque se van a perder muchas sutilezas”, dice. Tras una pausa, intenta usar las palabras más sencillas: “Esta máquina que construyeron mis colegas permite resolver un problema que sería imposible de solucionar con computadores clásicos. Y la razón por la que es capaz de hacerlo es porque explota las propiedades de la mecánica cuántica, que son diferentes a nuestra experiencia en el día a día”.

Quesada es físico de la Universidad de Antioquia y PhD en Física de la Universidad de Toronto. Hoy está vinculado a la Escuela Politécnica de Montreal, en Canadá, pero fue uno de los investigadores que hizo parte del grupo de científicos que estuvo detrás de la construcción de este sofisticado artefacto. Cuando ayudó a planearlo era uno de los empleados contratados por la compañía Xanadu.

Aunque hablar de mecánica cuántica suele ser confuso (“Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”, dijo alguna vez el popular físico Richard Feynman), Quesada tiene una buena manera para ayudar a comprender este “mundo”. Hay que empezar, dice por entender que hay, al menos, dos descripciones en el mundo físico en el que vivimos.

Una de ellas es la mecánica clásica, que describe, por ejemplo, cómo se mueven los planetas y todas las actividades de nuestra cotidianidad. La otra gran “teoría” es la “mecánica cuántica”, una rama que, ahorrándonos los complejos detalles técnicos, imposibles de condensar en un artículo de periódico, se ha encargado de estudiar el comportamiento de la materia en dimensiones muchísimo más pequeñas como los sistemas atómicos.

Entre las promesas de la mecánica cuántica hay, justamente, una con la que han fantaseado los físicos: el desarrollo de computadores cuánticos, unas máquinas que permitirían a la humanidad dar un enorme salto en la capacidad de cálculo. Para utilizar las palabras de Quesada, “si construimos computadores que usan la mecánica cuántica, se podían resolver problemas mucho más difíciles de los que se pueden resolver con los computadores que usan las leyes de la mecánica clásica”.

Eso fue, de hecho, lo que logró Borealis.

Un complejo problema resuelto en 36 microsegundos

Para entender un poco mejor el anuncio que hizo Xanadu, fundada en 2016, hay, primero, que darle una mirada a la siguiente imagen:

El gráfico representa un Tablero de Galton, una “máquina” que Sir Francis Galton creó que en el siglo XIX y que, desde entonces, suele ser usada en las clases de estadística. Sin entrar con mucho detalle en ese mundo, lo que muestra este tablero es un sistema en el que caen bolitas de color rojo desde la parte superior. A medida que chocan con unos obstáculos, que las obligan a tomar el camino de la izquierda o de la derecha, se ubican en el fondo.

La ilustración es útil para entender el problema que resolvió la computadora cuántica de Xanadu y que es muy popular entre los matemáticos: el “muestreo de bosones gaussianos”. Como apuntaba en su blog Carlos Sabín, PhD en Física y profesor de la Universidad Autónoma de Madrid, esto consiste, básicamente, en tener un “circuito” con una serie de entradas y de “destinos”.

En una de las entradas hay un fotón -una partícula elemental de la luz- que debe llegar a destino final tras atravesar unos “divisores de haz” que lo obligarán a cambiar de carril. Ese fotón, para volver al Tablero de Galton, equivale a la bolita roja y los “divisores de haz” a los obstáculos que la envían hacia un lado o el otro.

“Uno podría pensar que es posible calcular las probabilidades de que haya un cierto número de partículas en un cierto carril de salida. Sin embargo, en general, si los parámetros del circuito se seleccionan de manera aleatoria, y a partir de un cierto número de partículas (unas 20) y de carriles de entrada y salida (unos 400), el cálculo de las probabilidades a la salida es, muy probablemente, intratable para un ordenador convencional”, añadía Sabín.

Para decirlo en los términos más concretos: es una tarea que no podría solucionar ni el mejor “supercomputador” con el que cuenta la humanidad en este momento. Ni siquiera utilizando el mejor algoritmo que tengan a la mano. Así que, mientras que una supercomputadora tardaría, en promedio, unos 9 mil años en solucionar este asunto, Borealis fue capaz de hacerlo en un tiempo récord: solo 36 microsegundos, un tiempo mucho menor de lo que a usted le tomó leer esta última palabra. Esto es lo que llaman una “ventaja computacional cuántica”.

La gran pregunta en este punto es, ¿cuál podría ser la aplicación de este “gran paso”? Aunque la computación cuántica permite que nuestra imaginación vuele y que se hagan promesas sobre lo útil que puede resultar para las finanzas, para el desarrollo de fármacos o para el diseño de mejores materiales, aún es un terreno en construcción. Un terreno en el que también, escribía Martin Giles, en el MIT Technology Review, hay riesgos presentes. Por ejemplo, se podría “transmitir datos confidenciales para transacciones financieras”.

Pero aún falta un gran tramo por recorrer, básicamente, cuenta Quesada, porque los computadores cuánticos “son susceptibles a cometer errores y necesitamos técnicas mucho más sofisticadas para evitarlos”. Es decir, debe haber una ‘corrección de errores’”, un asunto inabarcable en pocos párrafos.

Por lo pronto, como le dijo The Globe and Mail, Arne-Christian Voigt, jefe del grupo de innovación y tecnologías innovadoras de Volkswagen, que ha realizado proyectos de investigación con las máquinas cuánticas de Xanadu y Google, “esta tecnología aún no tiene un valor comercial concreto. Es un paso muy significativo, pero aún hay una gran pregunta abierta: ¿estará una computadora cuántica a la altura de las expectativas?”.

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