FUTURO CUANTICO

ORDENADORES CUÁNTICOS

La mecánica cuántica abre la posibilidad de crear nuevos ordenadores cuánticos increíblemente potentes. A diferencia de los ordenadores actuales, que llamaremos ordenadores clásicos, estas nuevas máquinas aprovechan las leyes cuánticas que rigen las estructuras básicas de la naturaleza para realizar cálculos complejos. Las ideas que se utilizan son muy astutas y comprenderlas requiere avanzar poco a poco.

Un ordenador clásico aplica leyes cuánticas de una forma burda. En el corazón íntimo de un chip, los elementos cuánticos —como el propio electrón— ya no muestran comportamientos cuánticos individuales. Por ejemplo, el electrón no se halla en un estado de superposición.

Otro ejemplo; un transistor de un ordenador actual no es más que un relé que conmuta el flujo de electrones. En cambio, en un ordenador cuántico, los elementos básicos utilizan la superposición cuántica para realizar cálculos de forma más rápida. Los ordenadores cuánticos suponen un salto conceptual brutal hacia el empleo completo de las leyes cuánticas. Los ordenadores cuánticos llegarán a ser potentísimos, dejarán atrás a gigantescas máquinas de cálculo clásicas que parecían inexpugnables. Un solo procesador cuántico podrá realizar un tipo de cálculo muy específico más rápidamente que todos los ordenadores clásicos de la Tierra juntos trabajando durante toda la edad del Universo. La diferencia de capacidad de cálculo entre un ordenador cuántico y uno clásico es abismal. Pero antes de adentrarnos en el funcionamiento de un ordenador cuántico, es necesario comprender la trascendencia que implica su construcción.

¿Para qué queremos construir ordenadores tan potentes? La respuesta verdadera no es inmediata. Toda la discusión sobre la utilidad de los nuevos ordenadores queda inmersa en un halo de misterio que no es habitual en los demás avances que propone la mecánica cuántica. La razón de esta desconcertante situación es que un ordenador cuántico tiene una implicación política brutal: puede alterar gravemente todo el mundo de las comunicaciones secretas. Un ordenador cuántico plantea un problema político extraordinario a escala planetaria.

Para un científico, crear un ordenador cuántico es un reto intelectual difícil de soslayar. La construcción de un ordenador cuántico que realice un cálculo significativo, relevante e incuestionablemente impresionante, conlleva el sello de la trascendencia. Muchos científicos desean trascender.

El secreto en peligro

¿Por qué es tan importante la construcción de un ordenador cuántico? La respuesta rápida es que un ordenador cuántico puede descifrar todos los mensajes secretos que circulan por Internet. Todos nuestros correos, todas nuestras comunicaciones con un banco o con una agencia de viajes, todas nuestras redes sociales, todas las copias de seguridad de las corporaciones, todas las comunicaciones políticas, todo el tráfico de la nube, todo está protegido por algoritmos que son descifrables por un ordenador cuántico. Quién posea un ordenador cuántico podrá descifrar todas las transacciones secretas que se realizan por Internet, y las que se realizaron en el pasado y han sido almacenadas a la espera de un progreso disruptivo en el descifrado de la criptografía actual.

Un cofre y una llave

Viajemos al corazón de la forma en que compartimos secretos en nuestra sociedad actual. Veamos en detalle cómo realizamos actualmente nuestras comunicaciones secretas. ¿Qué mejor ejemplo que el de comunicarnos con nuestro banco? De forma más precisa, imaginemos que quiero hacer una transferencia bancaria. Quiero que este proceso sea seguro, que sea secreto. Al conectarme al banco por Internet no quiero que mis datos privados sean leídos por ladrones. Para que mi comunicación por Internet sea secreta, se debe establecer un protocolo criptográfico.

Es fácil entender la forma en la que realizamos una transacción secreta si empleamos un símil con un cofre, de los que usan los piratas para encerrar tesoros, y la llave que lo abre. Para realizar la transferencia de dinero, el banco prepara un cofre que se puede sellar herméticamente al cerrar la tapa y que solo se puede abrir empleando una llave.

Por lo tanto, el banco crea un cofre y su llave. Después, el banco se queda con la llave y me envía el cofre abierto. En ese cofre introduzco un mensaje especificando la transferencia que deseo realizar. Sello el cofre y lo envío de vuelta. El banco recibe el cofre y emplea la llave que está en su poder para abrirlo y poder leer el mensaje. Hemos realizado una transacción segura.

Paso a paso, el procedimiento que hemos seguido para realizar una transacción es:

1) El banco genera un cofre y la llave que lo puede abrir.

2) El banco se queda con la llave y me envía el cofre abierto.

3) Introduzco mi mensaje en el cofre, lo cierro y lo envío de vuelta al banco.

4) El banco abre el cofre con la llave que ha mantenido en su poder.

En Internet, el cofre recibe el nombre de clave pública y la llave el de clave privada. Ambas claves son enormes series de ceros y unos.

Grandes números primos

El cofre y la llave eran una imagen para comprender lo que de verdad hacen los ordenadores del banco y el mío propio cuando se conectan. La forma exacta de proceder sigue el espíritu del cofre y la llave, pero empleando programas informáticos y ficheros. Al iniciar el proceso, el banco toma dos números primos muy grandes que constituyen su clave privada. Es decir, el equivalente de la llave es un par de números primos muy grandes.

El banco también multiplica los dos números primos. El resultado de esta multiplicación es un número enorme que corresponde al cofre, es decir, a la llave pública. Multiplicar dos números es una operación matemática eficiente y rápida, no requiere gran esfuerzo de cálculo. Este nuevo número —resultado de la multiplicación de los dos números primos— llega a mi ordenador y es utilizado para codificar mi información. Esta información codificada es enviada al banco. Cuando el banco recibe mi información codificada procede a descodificarla usando la clave privada, es decir, los números primos iniciales.

Paso a paso:

1) El banco genera dos números primos (llave) y calcula su producto (cofre).

2) El banco se queda los dos números primos y me envía el producto.

3) Utilizo el producto para codificar el mensaje y lo envío de vuelta al banco.

4) El banco usa los números primos originales para descodificar mi mensaje.

Las fórmulas matemáticas que permiten encriptar y desencriptar los mensajes usando la idea de los números primos son complejas y se basan en desarrollos matemáticos bien comprendidos. Son aspectos técnicos de aritmética modular que definen esta criptografía llamada RSA (nombrada así por los apellidos de sus creadores: Ron Rivest, Adi Shamir y Leonard Adleman), que no resultan esenciales para que comprendamos el proceso global. La criptografía actual RSA en la que sustentamos nuestra economía y nuestras redes sociales se basa en la enorme dificultad de factorizar grandes números. Si alguien descubriese una forma de factorizar grandes números, tendría en su poder un arma terrible porque podría interceptar y leer todas las comunicaciones del planeta.

Eso es precisamente lo que logrará un ordenador cuántico. Un ordenador cuántico podrá factorizar números de forma eficiente, será capaz de descifrar toda la criptografía actual.

Qubits: cálculo cuántico en paralelo

Un ordenador cuántico sí puede factorizar números de forma rápida. La razón profunda de cómo lo logra es que un ordenador cuántico aprovecha el hecho de que un estado cuántico puede estar en superposición de varias opciones clásicas. El ordenador cuántico procesa todas las opciones superpuestas de una sola tacada. Un sistema cuántico puede basarse en un átomo que tiene un estado fundamental, al que llamamos «0», y uno excitado al que llamamos «1». El postulado I nos dice que es posible tener al átomo en superposición de los dos estados: «0» + «1». Hemos construido una generalización de los bits clásicos, que llamamos qubit o bit cuántico.

Si deseamos hacer operaciones con tres bits, podemos tomar tres átomos cuya función de onda puede contener todas las superposiciones posibles: «000» + «001» + «010» + «011» + «100» + «101» + «110» + «111» Los tres átomos están representando ocho opciones de cálculo clásico. Si tenemos n átomos, tendremos un total de 2n estados superpuestos, que es un número exponencial de opciones. El ordenador cuántico procesará todas las opciones a la vez. El ordenador cuántico será exponencialmente más potente que uno clásico para ciertas operaciones. Un ordenador cuántico es potencialmente un ordenador masivamente paralelo, si logramos hallar un algoritmo que explote la propiedad cuántica de superposición.

Un estado cuántico refleja la información del sistema de la cual disponemos, como la superposición de las historias compatibles. La idea central de un ordenador cuántico es preparar un sistema en todas las historias posibles, en todos los números que son candidatos a ser el resultado final. Las puertas lógicas cuánticas se encargan de ir eliminando aquellas historias que no dan lugar al resultado deseado. Un ordenador cuántico procesa todas las opciones posibles en el mismo tiempo en que trata una concreta. Su enorme poder se basa en el procesamiento paralelo de superposiciones.

No es correcto decir que un ordenador cuántico procesa todas las opciones clásicas en paralelo, como si fueran independientes. Un ordenador cuántico mantiene en su registro todas las superposiciones, pero necesita lograr que aquellas que no nos interesan se vayan eliminando. Para ello precisa hallar la forma de que se produzca una interferencia destructiva entre las opciones inútiles. El poder de un ordenador cuántico emana pues de la colaboración precisa de dos propiedades: superposición e interferencia.

Es posible ver que durante la ejecución de un buen algoritmo cuántico, el estado físico que se mantiene en el registro se entrelaza enormemente. Dado que el entrelazamiento es la cualidad que no puede reproducirse en el mundo clásico, un ordenador cuántico no puede ser simulado eficientemente por uno clásico. La computación cuántica es genuinamente diferente de la clásica.

El futuro es cuántico

¿Cómo le afectará a usted, a cada uno de nosotros, la segunda revolución cuántica? Retrocedamos en el tiempo y pensemos en cómo se vieron afectados los trabajadores del siglo XIX cuando se produjo la Revolución industrial. También podemos recordar la transición de una sociedad basada en el papel a otra digitalizada en la nube.

Los efectos son tan extensos que es difícil decir qué pasó primero, quién quedó rápidamente afectado y quién vio su negocio desaparecer a causa de nuevas formas de ganar dinero.

Parece razonable especular sobre el futuro cuántico a diferentes niveles. Podemos hablar del cambio que puede producirse en primera persona, del cambio en nuestro sistema económico y, finalmente, del cambio político a escala planetaria. El pasado nos dice que una revolución tecnológica importante afecta necesariamente a todos estos ámbitos.

Los siglos XX y XXI se han caracterizado por una aceleración en la adopción de nuevas tecnologías. Hasta hace años, sustituir una carta por un fax parecía un portento de progreso. Cambiar de teléfono era algo que no entraba en los planes de una persona razonable. Una máquina de escribir estropeada se llevaba a arreglar. Todo ha cambiado. Vivimos en el vértigo. No reparamos, sustituimos por algo más moderno. No escribimos en papel, toda la información es digital. Devoramos información porque es ubicua; está en la nube y nosotros vivimos en esa nube.

Es acertado decir que los cambios que pueda traer la mecánica cuántica, cuando lleguen, serán abruptos. No habrá tiempo para adaptarse. Aquellos que sean jóvenes o quienes estén bien informados de antemano sabrán reaccionar. En cambio, aquellos que se encierren en su ámbito local, se empecinen en no comprender la esencia de los cambios, pueden sentirse como una persona que en su día tuvo una tienda de alquiler de vídeos. Aquel negocio funcionó, pero el progreso tecnológico lo hizo obsoleto abruptamente. La mecánica cuántica seguirá instalándose en nuestras vidas sin pausa.

Manipulación informativa

El gran debate sobre el futuro cuántico requiere una disculpa previa sobre el sensacionalismo en la información científica. Quisiera que estas palabras no parezcan exageradas o sensacionalistas. Estamos tan rodeados de noticias sacadas de contexto y manipuladas en extremo que no es sencillo transmitir la relevancia objetiva de un nuevo avance científico. Estamos ya acostumbrados a oír hablar de fantásticas soluciones para enfermedades, nuevas formidables formas de almacenar energía o avances intimidantes en inteligencia artificial. Estamos tan acostumbrados a la manipulación informativa que nos convertimos en escépticos. Nos es difícil discernir lo que es relevante de lo que no lo es y, paradójicamente, optamos por no creer nada. Hacemos oídos sordos a todo nuevo anuncio de progreso disruptivo.

Un daño colateral de la forma sensacionalista de presentar noticias es que muchos científicos se esconden. Prefieren el anonimato y el respeto de sus pares a una arriesgada exposición pública. Se rompe la comunicación fidedigna entre los resultados obtenidos en los laboratorios más avanzados y la sociedad. A veces —y eso es lo peor—, los propios científicos caen en el sensacionalismo empujados por la presión que ejercen las agencias financiadoras de la investigación para dar visibilidad a sus resultados.

Tu futuro cuántico

¿Cambiará dramáticamente tu día a día cuando las nuevas tecnologías cuánticas aporten sus aplicaciones? La respuesta es doble: no y sí. Cada uno de nosotros está pendiente de su teléfono. ¿Tendremos nueva tecnología cuántica en nuestro teléfono? Lo más probable es que la respuesta sea no. El control cuántico de átomos y luz es útil en muchos contextos, pero no cambia la forma de hacer una app. Seguiremos sujetos a nuestro día a día, a nuestros intentos de socializar, ser amados, compartir el camino de la vida con un ser querido. Nada de eso va a cambiar.

Pero podemos responder lo contrario. Sí. La mecánica cuántica podrá estudiar nuevos fármacos que pueden alargar nuestras vidas. También podremos usar computadores cuánticos que tal vez entrenen redes neuronales masivas. Ellas llevarán el control de una parte importante de nuestra sociedad. Tal vez el diseño óptimo del tráfico de coches autónomos necesite de la gran potencia de cálculo que da un ordenador cuántico. Sí otra vez. La mecánica cuántica afectará los tipos de trabajo que desempeñaremos. Es muy probable que la conjunción de tecnologías cuánticas y de inteligencia artificial dé lugar a una sociedad con una necesidad baja de trabajadores. No creo que sea sostenible el capitalismo actual, basado en que todo el mundo debería trabajar casi cuarenta horas a la semana. No habrá trabajo para tanta gente. El ocio, el entretenimiento, o su necesidad, seguirá creciendo.

Negocio cuántico

La mecánica cuántica permite construir ordenadores cuánticos capaces de desencriptar la criptografía que empleamos hoy en día. ¿Qué secretos almacenados en las empresas quedarán expuestos a la luz pública? Muchas empresas que basan su negocio en datos de personas y de transacciones no pueden quedar expuestas al ataque de un ordenador cuántico. No es obvio cómo han de proceder. ¿Deberían tomar ya las riendas y apostar por la criptografía cuántica? Posiblemente sí. Es razonable aconsejar a cualquier ejecutivo de alto nivel que haga pruebas de cómo adaptar la criptografía cuántica en su empresa. Es también aconsejable que tenga buena información sobre los avances en criptografía poscuántica.

Las empresas se verán obligadas a invertir en ciberseguridad de nueva generación. Esto no debería ser algo extraño. Es razonable que una tecnología sea amenazada por otra y, en consecuencia, sea necesario dedicar una parte de los beneficios de la empresa a estudiar a fondo la solución a cualquier amenaza. Toda empresa debería estar informada de los avances científicos que pueden alterar su negocio. La mecánica cuántica debería ser parte de la información que se transmite en las escuelas de negocios.

Por otra parte, es muy probable que los Estados tomen cartas en el asunto y obliguen por ley a que las empresas garanticen protección total en el tratamiento de los datos privados de sus clientes. La ciberseguridad que garantice privacidad absoluta se impondrá por sentido común, por necesidad empresarial y por imperativo legal.

Existe otro tipo de influencia directa por parte de la mecánica cuántica sobre el mundo empresarial. Aparecerán nuevas empresas especializadas en el aprovechamiento de las leyes cuánticas. Sin duda, la ciberseguridad cuántica acaparará una parte de las iniciativas empresariales importantes. Pero también veremos aparecer empresas basadas en computación cuántica, con aplicaciones directas en el diseño de materiales, en medicamentos y en inteligencia artificial. Serán también importantes las iniciativas ligadas a las medidas precisas. Tendremos nuevas empresas que aportarán formas de determinar aceleraciones, campos magnéticos o posicionamiento de forma muy precisa. Estas y otras ideas que ahora no sabemos adivinar llegarán en forma de nuevas empresas.

La lucha entre las viejas tecnologías y las nuevas será dura. El futuro negocio cuántico crecerá, nos guste o no, porque el futuro de nuestra tecnología es cuántico.

Política cuántica

¿Quedará alterado el orden político del planeta? Quien desarrolle la nueva generación de tecnologías cuánticas puede no estar sujeto a leyes democráticas o a controles éticos. Un gran debate se abre ante nosotros. La política se verá afectada por el progreso cuántico por varios motivos. En primer lugar, la segunda revolución cuántica aumenta la brecha entre países desarrollados y no desarrollados. No es sencillo crear tecnología cuántica. El control atómico es un arte refinado. Crear una bomba atómica es relativamente sencillo, pero crear un ordenador cuántico es muy difícil. Solo aquellos países que inviertan fuertemente en tecnologías cuánticas llegarán a niveles de influencia política relevante.

Un segundo elemento político disruptivo procede del potencial uso maligno de las tecnologías cuánticas. Los grandes bloques estructurados en torno a Estados Unidos, China y Europa no compartirán sus descubrimientos. El avance en desarrollos en mecánica cuántica aparecerá como una carrera armamentística. Tener un ordenador cuántico antes que los demás será una meta esencial de las inversiones públicas.

¿Cuándo?

¿Cuándo quedarán expuestos nuestros mensajes? ¿Cuándo veremos cambios en la seguridad, en el cómputo, en la medición? ¿Cuándo tendremos un ordenador cuántico potente? Nos encontramos en los primeros estadios de la construcción de ordenadores cuánticos. Manipulamos ya decenas de átomos bajo estricto control cuántico. Se han realizado ya numerosas pruebas de concepto, que implican el control detallado de un par de decenas de qubits. Para romper los códigos criptográficos, necesitamos miles de átomos bajo control estricto. Se podría decir que estamos lejos de tener una tecnología robusta.

Pero es cierto que el desarrollo reciente ha sido mucho más rápido de lo esperado. Es previsible que el desarrollo de ordenadores cuánticos le parezca lento al mundo empresarial y al político, siguiendo los tiempos del progreso científico riguroso. Pero también es muy posible que el progreso sea vertiginoso y haga rápidamente obsoletos estos comentarios.

La pregunta no es ¿cuándo?, sino ¿quién?

La construcción de un ordenador cuántico da una ventaja política y comercial inimaginable a quien lo desarrolle. ¿Qué sucedería si China o Rusia dispusieran de un ordenador cuántico que pudiera descifrar todos los mensajes políticos enviados en Estados Unidos? ¿Cómo reaccionaría la economía mundial a que todos los mensajes corporativos de las grandes empresas estuvieran en manos de unas pocas personas? ¿Qué reacciones pueden seguir al descifrado de mensajes políticos pasados, que han sido almacenados quién sabe dónde y por quién? ¿Cómo mantendremos nuestras pequeñas finanzas si sabemos que las transacciones con nuestro banco no son seguras?

La gran pregunta sobre la construcción de un ordenador cuántico no es cuándo llegará, sino quién lo conseguirá. ¿Será el primer ordenador cuántico propiedad de una empresa, de una nación, de un grupo de científicos? ¿Qué leyes intentarán controlar el uso de los ordenadores cuánticos? ¿Tiene sentido intentar acotar el progreso científico? ¿Estamos preparados para un futuro cuántico?

Podemos establecer una analogía entre la situación actual y el momento en que Estados Unidos lanzó el Proyecto Manhattan para construir una bomba atómica. En el año 1938, Otto Hahn y Fritz Strassmann observaron por primera vez la fisión nuclear, que fue inmediatamente descrita por Lise Meitner y Otto Robert Frisch. En aquel instante quedó abierta la posibilidad de generar un arma terrible si se propiciaba una reacción en cadena de fisiones nucleares. Tanto Alemania como Inglaterra y Estados Unidos tenían científicos potencialmente capaces de explorar esa posibilidad. El 9 de octubre de 1941, el presidente de Estados Unidos Franklin D. Roosevelt autorizó el desarrollo del Proyecto Manhattan y estableció el corazón de su desarrollo teórico en Los Álamos.

Estados Unidos llegó primero a la bomba atómica. Esa bomba no fue utilizada para ganar la segunda guerra mundial, sino para iniciar la guerra fría. Cómo procedió Estados Unidos, con quién compartió y a quién ocultó sus logros fueron hechos determinantes para el desarrollo de la historia del siglo XX. Quien construya un ordenador cuántico tendrá en su mano la posibilidad de compartirlo o de emplearlo de forma negativa. Viviremos un futuro lleno de incertidumbre.

Una duda

La mecánica cuántica ha marcado a generaciones de científicos. El debate intelectual sobre sus principios se contrapone a la acumulación imparable de logros prácticos. Vivimos a caballo del éxito cuántico, aunque seguimos debatiendo con pasión los principios más básicos de la mecánica cuántica. Algunos científicos que trabajan en mecánica cuántica llevan en su corazón un apego irracional a algunas explicaciones de nuestro mundo que son superiores a la mecánica cuántica. Los retos intelectuales que plantean los postulados cuánticos son de diferente magnitud. Por una parte, el hecho de establecer que la relación entre el hombre y la naturaleza se forje en términos de información me parece la forma más profunda de comprender el rol de la ciencia. No creo que el hombre tenga derecho a ir más allá.

Nuestras teorías no son más que constructos, llenos de propuestas para describir los resultados de nuestras preguntas a la naturaleza. Nos informamos sobre ella. No tenemos acceso a su esencia profunda ni a su razón última. En el mismo sentido, creo que la limitación en el conocimiento que emerge del propio proceso de medir es natural. No veo nada incorrecto en el principio de incertidumbre. Si medimos, alteramos. Toda pregunta hecha a la naturaleza conlleva un cambio de esta.

Al medir, nuestra información cambia abruptamente. Tampoco hay, para mí, ningún misterio en el colapso de la función de onda, que es una actualización de nuestra información del sistema. El punto central, el que reviste mayor trascendencia desde mi punto de vista, es que la mecánica cuántica postula la aleatoriedad en el resultado de la medida. Según la mecánica cuántica, la naturaleza responde a los experimentos con un elemento intrínseco de azar. Este punto sí es conflictivo para mi forma de comprender la naturaleza. El mundo contiene azar. Toda interrogación de la naturaleza aporta azar puro, genuino. No es un azar aparente ni ligado a la falta de poder de cálculo o de comprensión de un sistema. Es azar puro.

Este azar cuántico da al traste con el determinismo. Todos los experimentos confirman el mundo de probabilidades dictadas por los principios cuánticos. No hay resquicio aparente para el determinismo. Einstein no aceptó jamás esta idea. Para él, Dios no juega a los dados en el mundo atómico. Con o sin un dios, muchos científicos se sienten incómodos con el azar cuántico. De esta incomodidad intelectual que nunca cesa nace la idea de que la mecánica cuántica podría ser una teoría efectiva. ¿Qué significa que nuestra teoría cuántica sea efectiva? La mecánica cuántica podría ser una forma aproximada, gruesa, suficiente pero no fundamental de describir nuestro mundo.

Veamos un ejemplo de teoría efectiva. Deseamos entender los fenómenos asociados al calor. Para ello introducimos los conceptos de temperatura, de energía interna, de calor, estudiamos propiedades de materiales y vemos comportamientos comunes. Así se construyó la termodinámica. Es una teoría magnífica que permite comprender el funcionamiento de un motor, la propagación del calor o el comportamiento de los gases. Sin embargo, al analizar la materia a nivel más detallado, podemos ver que la termodinámica es una teoría efectiva que emerge del movimiento de las partes más elementales de un sistema.

Por ejemplo, podemos entender la temperatura de un gas como un promedio de las energías cinéticas de las partículas del gas. Cuando el sistema está compuesto de muchos elementos, las leyes de la termodinámica son perfectas. En cambio, si tenemos sistemas de pocas partículas, debemos buscar formas más refinadas de describir el sistema.

Es posible que la mecánica cuántica sea una teoría efectiva, una versión burda de una teoría mucho más refinada que desconocemos. Nos ha tocado vivir en este siglo en el que nuestro conocimiento se basta con las leyes cuánticas actuales. Tal vez en un futuro necesitaremos ideas más sofisticadas. Tal vez en una teoría superior a la mecánica cuántica no habrá azar.

Se puede y debe argumentar tanto a favor como en contra de esta idea. Si no hay crítica, hay prejuicio. Para evitar todo prejuicio debemos ser críticos tanto con la mecánica cuántica como con las ideas que la cuestionan. Es cierto que en mecánica cuántica hay experimentos muy sutiles que niegan el determinismo en su forma de elementos de realismo local. Los demás elementos de la teoría cuántica son totalmente asumibles.