¿Para qué sirve la computación cuántica?

Cuando el físico estadounidense Theodore Harold Maiman desarrolló y patentó el primer láser en mil novecientos sesenta, la comunidad científica lo recibió como “una solución a la espera de un problema”. Tan solo un año después, el inconveniente llegó y se usó para operar un tumor ocular. Hoy está presente en todas y cada una de 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 semejante. Aún no se puede charlar de un PC cuántico robusto y tolerante a fallos, mas la apuesta por este sistema es firme y las primordiales empresas que desarrollan tecnología cuántica (Google, IBM, Intel, Amazon y Microsoft, entre otras muchas) ofrecen sus servicios para extender su utilización, favorecer el desarrollo aplicaciones y tecnologías y para estar ahí cuando el mercado surja, que va a ser pronto, en esta década si se cumplen las mejores esperanzas. La computación cuántica ya tiene usos en investigación médica, farmacología, industria, finanzas, química y física.

Google. Cuenta con un equipo que ha firmado ciertos primordiales avances en este campo (Google Quantum Artificial Intelligence) y ha desarrollado múltiples versiones de Sycamore, un procesador programable que puede ejecutar algoritmos de simulación de física y química, como aplicaciones en aprendizaje automático generativo, entre otras muchas áreas. Google forma especialistas para trabajar con estos procesadores y las aplicaciones se producen 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 de España miembro del conjunto de investigación de Google Quantum Artificial Intelligence (AI).

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

También el maestro de química de Columbia David Reichman y Joonho Lee, con estudiosos de Google Quantum AI, han empleado dieciseis cúbits del Sycamore para encontrar 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”, asevera 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 , maestro de la TUM.

IBM. La multinacional dispone del IBM Quantum Network a fin de que los clientes del servicio y asociados puedan acceder a la computación cuántica de esta compañía, que trabaja ya en el Cóndor, que va a ser el primer procesador universal de más de mil cúbits. Qiskit, la comunidad cuántica de programas de código abierto de IBM tiene uno con ocho 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”, asevera Darío Gil, vicepresidente de IBM y directivo de la división de investigación (IBM Research) que desarrolla la computación cuántica de esta compañía. Entre se hallan Boeing, para investigar nuevos materiales, BP para eficacia energética o Daimler para desarrollo de baterías.

Cleveland Clinic e IBM han desplegado la primera computadora cuántica en el ámbito 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, directiva de Información de Investigación de la entidad médica.

Pouyan Ghaemi, físico del City College de Nueva York, ha empleado las computadoras cuánticas de IBM para estudiar y pronosticar de qué forma evoluciona el estado de un elevado número de partículas cuánticas que interaccionan 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 cooperación con IBM, ha publicado en PRX Quantum, una fórmula para reducir el número de cálculos precisos para leer los datos guardados 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 el mes de septiembre de dos mil veintidos, Intel Quantum ha lanzado en el mes de febrero la versión diez del Kit de Desarrollo de Software (SDK, por sus iniciales en inglés), libre en Intel Developer’s Cloud. El SDK, conforme la compañía, es un PC cuántico en simulación que asimismo puede ejecutar algoritmos híbridos cuántico-clásicos. El Intel Quantum Simulator (IQS) es capaz de cobijar treinta y dos cúbits en un nodo y más de cuarenta en múltiples nodos.

“El SDK Intel Quantum ayuda a los programadores a prepararse para los ordenadores cuánticos 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”, asevera Anne Matsuura, directiva de Aplicaciones y Arquitectura Cuántica en Intel Labs.

El Instituto de Tecnología Deggendorf de Munich, ha empleado el SDK para explorar la activa de fluidos en inconvenientes de hidrodinámica y aerodinámica. También estudia casos de uso cuántico para la supresión de estruendos de imágenes y la generación de imágenes realistas, como la resolución de inconvenientes de busca no estructurados, aprendizaje automático, simulación de materiales y inconvenientes 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”, asevera Yaknan Gambo, estudiante de postgrado del Instituto de Tecnología Deggendorf.

Intel trabaja con otras 4 universidades para desarrollar planes de estudios y expandir el uso de la computación cuántica en el planeta 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 usa la tecnología cuántica de esta multinacional para explorar formas de comunicarse de forma más eficaz con las naves espaciales por medio de la Red de Espacio Profundo (DSN), un entramado global de grandes antenas de radio situadas en California, España y Australia.

También se usa en el campo 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, directivo de Ford Research, el beneficio cuántica es que es capaz de aportar soluciones en “áreas problemáticas, dónde está realmente el valor”.

Amazon Web Services. Después de diecisiete años, Amazon Web Services (AWS) cuenta con más de doscientos servicios completos para computación, desde noventa y nueve Zonas de Disponibilidad en treinta y uno zonas geográficas, incluida la últimamente abierta Región de infraestructura de AWS en España con múltiples centros de datos. A estas zonas se incorporarán Canadá, Israel, Malasia, Nueva Zelanda y Tailandia.

Hace 4 años incorporó Amazon Braket, creado para apresurar la investigación científica y la informática. Este es un servicio totalmente administrado que deja 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 sostienen desde el pasado septiembre una alianza estratégica para la investigación y la innovación en redes con el propósito de desarrollar métodos y tecnologías esenciales 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 examinar los movimientos robóticos en la planta de producción o el conjunto bancario de inversión Goldman Sachs. También se han empleado sus servicios en investigación farmacéutica para optimar ensayos clínicos y reducir su costo.

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 esencial. Desde este febrero, AWS cuenta con Lucy, la computadora cuántica de 8 cúbits de Oxford Quantum Circuits, llamada así por la vanguardista alemana de la mecánica cuántica Lucy Mensing.

España. Los primeros ordenadores cuánticos se instalarán en el Barcelona Supercomputing Center – Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) como una parte del consorcio de supercomputación European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU). Además, el año pasado, trece entidades españolas empezaron el proyecto CUCO para investigar el uso de la computación cuántica y su aplicación a 5 industrias estratégicas: energía, finanzas, espacio, defensa y logística.

Para el año próximo, IBM desplegará su primer Quantum Computational Center en San Sebastián, dando servicios Qiskit Runtime a la zona desde un Quantum System One de ciento veintisiete cúbits.

Entre las ideas privadas con más años de uso figuran la del banco de España BBVA, que ha analizado diferentes tecnologías cuánticas y tradicionales para mejorar el proceso de optimización de carteras de inversión con datos de mercado, conforme refleja Quantum Physics. Desde dos mil dieciocho, la financiera coopera 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, asimismo usa la computación cuántica en sus salas para asistir a los estudiantes a solucionar inconvenientes comerciales reales.

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