¿Está preparado para la revolución de la computación cuántica?

Sandipkumar Patel/Getty Images

La física cuántica ya nos ha cambiado la vida. Gracias a la invención del láser y el transistor, ambos productos de la teoría cuántica, casi todos los dispositivos electrónicos que utilizamos hoy en día son un ejemplo de física cuántica en acción. Puede que ahora estemos al borde de una segunda revolución cuántica en un intento de aprovechar aún más la potencia del mundo cuántico. La computación cuántica y la comunicación cuántica podrían afectar a muchos sectores, incluidos la sanidad, la energía, las finanzas, la seguridad y el entretenimiento. Estudios recientes pronostican una industria cuántica multimillonaria para 2030. Sin embargo, hay que superar importantes desafíos prácticos antes de poder alcanzar este nivel de impacto a gran escala.

Cuántica contra clásica

Aunque la teoría cuántica tiene más de un siglo, la revolución cuántica actual se basa en la comprensión más reciente de que la incertidumbre —una propiedad fundamental de las partículas cuánticas— puede ser un recurso poderoso. A nivel de las partículas cuánticas individuales, como los electrones o los fotones (partículas de luz), es imposible conocer con precisión todas las propiedades de la partícula en un momento dado. Por ejemplo, el GPS del coche puede indicarle su ubicación, velocidad y dirección a la vez, y con la precisión suficiente para llevarlo a su destino. Pero un GPS cuántico no podría mostrar de forma simultánea y precisa todas esas propiedades de un electrón, no por un diseño defectuoso, sino porque las leyes de la física cuántica lo prohíben. En el mundo cuántico, debemos utilizar el lenguaje de la probabilidad, en lugar de la certeza. Y en el contexto de la computación basada en dígitos binarios (bits) de 0 y 1, esto significa que los bits cuánticos (qubits) tienen cierta probabilidad de ser un 1 y cierta probabilidad de ser 0 al mismo tiempo.

Centro Insight

• Tecnología y transformación

  Patrocinado por Lumen

  Examinar los desafíos y las oportunidades que tenemos por delante.

Esa imprecisión es desconcertante al principio. En nuestros ordenadores clásicos de todos los días, los 0 y los 1 están asociados a los interruptores y circuitos electrónicos que se encienden y apagan. No saber si están exactamente encendidas o desactivadas no tendría mucho sentido desde el punto de vista de la informática. De hecho, eso provocaría errores en los cálculos. Pero la idea revolucionaria detrás del procesamiento de la información cuántica es que la incertidumbre cuántica (una «superposición» difusa entre 0 y 1) no es en realidad un error, sino una característica. Proporciona nuevas palancas para formas más potentes de comunicar y procesar los datos.

La comunicación cuántica y la computación cuántica en acción

Un resultado de la naturaleza probabilística de la teoría cuántica es que la información cuántica no se puede copiar con precisión. Desde un punto de vista de seguridad, esto cambia las reglas del juego. Los piratas informáticos intentan copiar las claves cuánticas utilizadas para cifrar y transmitir mensajes se frustraría, incluso si tuvieran acceso a un ordenador cuántico u otros recursos poderosos. Este cifrado, fundamentalmente imposible de hackear, se basa en las leyes de la física y no en las algoritmos matemáticos complejos usado hoy. Si bien las técnicas de cifrado matemático son vulnerables a ser descifradas por ordenadores lo suficientemente potentes, descifrar el cifrado cuántico requeriría infringir las leyes de la física.

Así como el cifrado cuántico es fundamentalmente diferente de los métodos de cifrado actuales basados en la complejidad matemática, los ordenadores cuánticos son fundamentalmente diferentes de los ordenadores clásicos actuales. Los dos son tan diferentes como un coche y un caballo y un carro. Un coche se basa en el aprovechamiento de diferentes leyes de la física en comparación con un caballo y un carro. Le permite llegar a su destino más rápido y a nuevos destinos que antes estaban fuera de su alcance. Lo mismo puede decirse de un ordenador cuántico en comparación con un ordenador clásico. Un ordenador cuántico aprovecha las leyes probabilísticas de la física cuántica para procesar datos y realizar cálculos de una manera novedosa. Puede completar determinadas tareas informáticas más rápido y realizar tareas nuevas que antes eran imposibles, como, por ejemplo, teletransportación cuántica, donde la información codificada en las partículas cuánticas desaparece en un lugar y se recrea exactamente (pero no de forma instantánea) en otro lugar lejano. Si bien eso suena a ciencia ficción, esta nueva forma de transmisión de datos podría ser un componente vital de la futura Internet cuántica.

Una aplicación particularmente importante de los ordenadores cuánticos podría ser simular y analizar moléculas para el desarrollo de fármacos y el diseño de materiales. Un ordenador cuántico es ideal para estas tareas, ya que funcionaría según las mismas leyes de la física cuántica que las moléculas que simula. Uso de un dispositivo cuántico simular la química cuántica podría ser mucho más eficiente que utilizar los superordenadores clásicos más rápidos de la actualidad.

Los ordenadores cuánticos también son ideales para resolver tareas de optimización complejas y realizar búsquedas rápidas de datos sin clasificar. Esto podría ser relevante para muchas aplicaciones, desde la clasificación de datos climáticos o de salud o financieros, a optimizar la logística de la cadena de suministro, la gestión de la fuerza laboral o el flujo de tráfico.

Prepararse para el futuro cuántico

La carrera cuántica ya está en marcha. Los gobiernos y los inversores privados de todo el mundo están acudiendo miles de millones de dólares en investigación y desarrollo cuánticos. Se ha demostrado la distribución de claves cuánticas para el cifrado por satélite, lo que sienta las bases para una posible red de comunicación global basada en la seguridad cuántica. IBM, Google, Microsoft, Amazon y otras empresas están haciendo grandes inversiones en el desarrollo de hardware y software de computación cuántica a gran escala. Nadie está ahí todavía. Si bien los ordenadores cuánticos a pequeña escala funcionan hoy en día, uno de los principales obstáculos para ampliar la tecnología es la cuestión de la gestión de los errores. En comparación con los bits, los cúbits son increíblemente frágiles. Incluso la más mínima perturbación del mundo exterior es suficiente para destruir la información cuántica. Por eso la mayoría de las máquinas actuales necesitan protegerse cuidadosamente en entornos aislados que funcionan a temperaturas mucho más frías que en el espacio exterior. Si bien se ha desarrollado un marco teórico para la corrección de errores cuánticos, implementarlo de manera eficiente en energía y recursos plantea importantes desafíos de ingeniería.

Dado el estado actual del campo, no está claro cuándo o si estará disponible toda la potencia de la computación cuántica. Aun así, los líderes empresariales deberían considerar la posibilidad de desarrollar estrategias que aborden tres áreas principales:

1. Planificación de la seguridad cuántica: Los protocolos de cifrado de datos actuales son vulnerables no solo a ordenadores cuánticos del futuro, sino también a ordenadores clásicos cada vez más potentes. Los nuevos estándares de cifrado (ya sean clásicos o cuánticos) son inevitables. Cambiar a una arquitectura de seguridad cuántica y a una infraestructura de apoyo para la seguridad de los datos requerirá planificación, recursos y experiencia cuántica. Incluso si falta una década para los ordenadores cuánticos, esperar hasta entonces para adaptarse sería demasiado tarde. Ahora es el momento de iniciar el proceso.
2. Identificación de casos de uso: Nadie podría haber predicho las innumerables formas en que los ordenadores clásicos afectan a todos los aspectos de nuestras vidas. Predecir las aplicaciones cuánticas es igual de difícil. Por eso, para aprovechar al máximo el potencial de la computación cuántica, los líderes empresariales y expertos de diferentes sectores, como la salud, las finanzas o la energía, deben ponerse en contacto con investigadores cuánticos e ingenieros de hardware y software. Esto facilitará el desarrollo de soluciones cuánticas específicas del sector diseñadas para las tecnologías cuánticas disponibles actualmente o para la futura computación cuántica escalable. La experiencia y la formación interdisciplinarias serán fundamentales para crear y hacer crecer la tienda de aplicaciones cuánticas.
3. Pensando en un diseño responsable: ¿Quién desarrollará la tecnología cuántica y tendrá acceso a ella y cómo interactuarán los usuarios con ella? El impacto de la IA y la cadena de bloques ha demostrado la necesidad de tener en cuenta las implicaciones sociales, éticas y ambientales de las nuevas tecnologías. Es pronto para la industria cuántica. Eso brinda una oportunidad única de incrustar prácticas inclusivas desde el principio y cree una hoja de ruta responsable y sostenible para la computación cuántica.

El rápido crecimiento del sector de la tecnología cuántica en los últimos cinco años ha sido emocionante. Pero el futuro sigue siendo impredecible. Por suerte, la teoría cuántica nos dice que la imprevisibilidad no es necesariamente mala. De hecho, dos cúbits se pueden unir de tal manera que, individualmente, permanezcan indeterminados, pero juntos están perfectamente sincronizados: ambos cúbits son 0 o ambos son 1. Esta combinación de certeza conjunta e imprevisibilidad individual (un fenómeno llamado entrelazamiento) es un poderoso combustible que impulsa muchos algoritmos de computación cuántica. Quizás también contenga una lección sobre cómo construir una industria cuántica. Si planifican de manera responsable y, al mismo tiempo, tienen en cuenta la incertidumbre futura, las empresas pueden aumentar sus probabilidades de estar preparadas para un futuro cuántico.