El físico Alejandro González Tudela investiga la combinación de las propiedades de la luz con las inéditas capacidades de estructuras diseñadas con características inusuales
El tiempo ha dado
la razón a los más optimistas, pero esta ciencia sigue afrontando desafíos
fundamentales: aumentar la capacidad de los ordenadores y reducir los errores.
El murciano Alejandro González Tudela, investigador científico en el Instituto
de Física Fundamental del CSIC, a sus 37 años, se ha propuesto abrir una nueva
puerta para intentar solventarlos: combinar las inéditas capacidades de los
metamateriales (estructuras diseñadas con características inusuales) con las
propiedades cuánticas de la luz. Su trabajo le ha valido una beca Leonardo de
la Fundación BBVA, dotadas con hasta 40.000 euros por proyecto. El total de
ayudas desde la creación del programa, en 2014, ha sido de 20 millones.
En computación convencional, la unidad
básica de información es el bit, que puede tener dos valores: 0 y 1. Las
combinaciones de estos ya da una capacidad extraordinaria. Pero en computación
cuántica, el elemento fundamental es el cúbit (quantum bit), un sistema
cuántico que puede encontrarse en dos estados (0 y 1) o en cualquier
superposición de ellos. La consecuencia es que el uso de cúbits permite
trillones de combinaciones de bits y por lo tanto, infinitas posibilidades de
computación. Según escribe Alberto Casas, investigador del CSIC y autor de La
revolución cuántica (Ediciones B, 2022), “un ordenador cuántico de 273 cúbits
tendrá más memoria que átomos tiene el universo observable”.
El problema es que esa propiedad
cuántica de la superposición es por ahora esquiva y estable solo durante poco
tiempo. Cualquier mínima circunstancia del entorno (temperatura, ruido
electromagnético o vibración) la degrada e imposibilita la computación efectiva
cuántica, realizar cálculos prácticos a gran escala de forma robusta. Este
efecto se conoce como decoherencia.
Una reciente investigación, publicada
en Nature Physics por científicos de Reino Unido y de las universidades de
Arizona (EE UU) y Zhejiang (China), ha utilizado un procesador superconductor
programable con 30 cúbits y demostrado que “pueden ajustarse para interactuar
entre sí mientras se mantiene la coherencia durante un tiempo sin precedentes”.
También se utiliza la corrección de errores, pero esta técnica exige afrontar
uno de los desafíos de la computación cuántica: aumentar significativamente el
número de cúbits.
La vía que investiga González Tudela
va en una dirección novedosa: usar metamateriales, estructuras diseñadas con
propiedades inusuales, para crear dispositivos cuánticos con más cúbits sin
aumentar los niveles de error. “En estos metamateriales”, según explica el
investigador, “se modulan sus propiedades por debajo de la longitud de onda
para conseguir respuestas tan exóticas como que un material sea invisible o que
focalicen la luz más allá de los límites”.
“La hipótesis de partida”, según
precisa el investigador del CSIC, “se fundamenta en que la luz tiene una
coherencia muy buena [preserva fácilmente sus propiedades cuánticas], por lo
que el objetivo es explotar estas respuestas muy fuertes que tienen los
materiales con la luz para mejorar las fidelidades”.
Ventaja y desventaja
La idea es aprovechar esa capacidad de
la luz para mantener sus propiedades cuánticas, ya que interactúa muy poco con
el ambiente. Sin embargo, el mismo investigador admite que esta característica
es, al mismo tiempo una desventaja: “Es difícil de manipular”.
Ahí es donde entra su investigación
sobre metamateriales, que ha avanzado en los últimos dos años tras el diseño de
una red de átomos separados por distancias muy cortas que permite aprovechar el
comportamiento cuántico de la luz.
“Al colocar los átomos a distancias
muy pequeñas, se comportan de manera colectiva y pueden tener interacciones muy
fuertes con la luz”, explica González Tudela. De esta forma, el investigador
pretende avanzar en el control de la luz con el uso de metamateriales y así
sortear esa desventaja que supone la difícil manipulación de las partículas con
un comportamiento cuántico más coherente.
El objetivo final es que ese hardware
(elemento físico o material de las computadoras y sistemas informáticos)
resuelva el problema de escalabilidad, la construcción de un ordenador cuántico
con mayor número de cúbits y menos errores.
“Es interesante”, comenta González
Tudela, “explorar paradigmas alternativos. No digo que mi propuesta vaya a ser
la que resuelva el problema, que suponga el gran cambio o la plataforma
definitiva. Ahora mismo, las mejores las implementaciones son iones atrapados
en circuitos superconductores, pero también hay tecnología cuántica basada en
fotones. Quizás, el gran salto adelante venga de una cosa que está fuera del
radar o de una mezcla”.
Pero este investigador resalta la
necesidad de abrir nuevos caminos como el que ha obtenido la beca Leonardo. De
la misma opinión es Alberto Casas, quien escribe: “El futuro de la computación
cuántica es una incógnita, pero, indudablemente, merece la pena explorarlo”.
Este valor potencial de la computación
cuántica no es resolver los problemas factoriales como los planteados hasta
ahora más para poner a prueba el sistema que como aplicación práctica. Ni
siquiera para responder a preguntas logísticas como ¿cuál es la mejor ruta para
unir ciudades? Las mayores esperanzas de esta tecnología son, según explica
González Tudela, además de la criptografía, que permitiría una comunicación
segura, “ciertos problemas de física o de química”. “Son las cuestiones de
muchos cuerpos, con muchos elementos que interaccionan entre ellos y que son
difíciles de resolver en ordenadores clásicos”, comenta.
En este sentido, el investigador
señala la “ventaja exponencial” que supondrá la computación cuántica para la
industria farmacéutica, en la búsqueda de terapias personalizadas. Y añade:
“Puede ser que se encuentren otros problemas que ahora mismo no se sabe que
podrían tener una ventaja cuántica o que se desarrollen aplicaciones que ahora
no se piensan”.
Cerebros cuánticos
En este sentido, científicos del
Trinity College de Dublín han publicado una investigación en Journal of Physics
Communications tras la que creen haber descubierto que los cerebros, la
consciencia y los procesos de memoria a corto plazo muestran comportamientos
cuánticos. “Los procesos cerebrales cuánticos podrían explicar por qué todavía
podemos superar a las supercomputadoras cuando se trata de circunstancias
imprevistas, toma de decisiones o aprendizaje de algo nuevo”, afirma Christian
Kerskens, coautor del artículo y miembro del Instituto de Neurociencia de la
universidad irlandesa. Según los investigadores, “si se confirmaran los
resultados, probablemente con enfoques multidisciplinarios avanzados, mejoraría
la comprensión general de cómo funciona el cerebro y ayudaría a encontrar
tecnologías innovadoras y construir computadoras cuánticas aún más avanzadas”.
España se mantiene en la carrera
cuántica no sólo en investigación básica sino también en los desarrollos
tecnológicos. El Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de
Supercomputación (BSC-CNS) ha sido seleccionado para formar parte del consorcio
de supercomputación de la UE, la European High Performance Computing Joint
Undertaking, para albergar y operar los primeros ordenadores cuánticos EuroHPC.
La nueva infraestructura se instalará y se integrará en el superordenador
MareNostrum 5, el más potente de España y de los más avanzados de Europa. La
inversión para esta parte del programa QuantumSpain será de 12,5 millones de
euros, cofinanciados al 50% por la UE y la Secretaría de Estado de
Digitalización e Inteligencia Artificial (SEDIA). “Esta nueva infraestructura,
que integrará la computación cuántica con MareNostrum 5, nos permitirá avanzar
en múltiples aplicaciones académicas”, afirma Mateo Valero, director del
BSC-CNS en un comunicado de la institución. Las instalaciones de Barcelona
conformarán una red con los superordenadores de Alemania, Chequia, Francia,
Italia y Polonia para atender la creciente demanda de recursos de computación
cuántica y nuevos servicios potenciales por parte de la industria y la
investigación europeas en ámbitos como la salud, el cambio climático, la
logística o el uso de la energía.
Fuente: El Pais.com