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La frontera entre la ciencia y la ciencia ficción es en ocasiones casi imperceptible. Y se lo debemos, cómo no, a nuestra cada vez más precisa comprensión del mundo en el que vivimos. Ese mundo macroscópico que podemos ver con nuestros ojos y en el que los procesos parecen discurrir en un único sentido en el tiempo: del presente hacia el futuro.
Estamos tan íntimamente acostumbrados a observar este fenómeno que nos resulta muy difícil aceptar la posibilidad derevertir un proceso en el tiempo.De recuperarlo tal y como era antes de haber sufrido algún cambio que podríamos considerar permanente. Pero no es imposible. Lafísica cuánticaacaba de demostrarnos que es factible tanto en el ámbito teórico como en el práctico.
La física cuántica y nuestra intuición están, una vez más, a punto de chocar
Nuestra intuición nos invita a concluir que la irreversibilidad de los procesos es una ley fundamental. Y el segundo principio de la termodinámica nos da la razón. Se puede formular de muchas maneras diferentes, pero todas ellas, si son correctas, nos invitan a concluir que los fenómenos físicos son irreversibles.
Si colocamos un recipiente con agua muy caliente en la encimera de nuestra cocina y no hacemos nada con él, el agua se enfriará. Y si se nos cae un vaso y estalla al golpearse con el suelo, no volverá a recomponerse por sí solo. Precisamente el intercambio de calor y la entropía son dos propiedades íntimamente ligadas al segundo principio de la termodinámica.
La entropía suele definirse como la magnitud que mide el grado de desorden de un sistema físico. Es una simplificación quizá excesiva, pero puede ayudarnos a entender de qué estamos hablando sin que nos veamos obligados a recurrir a conceptos complejos. En cualquier caso, este principio termodinámico es de naturaleza estadística, y, además, la física clásica es determinista.
Esto significa que es posible predecir la evolución de un sistema físico a lo largo del tiempo si conocemos su estado inicial y las ecuaciones diferenciales que describen su comportamiento. Sin embargo, en el dominio de lafísica cuántica, en el mundo de lo muy pequeño, de las partículas, la reversibilidad de los procesos físicos es posible. Lo es desde un punto de vista teórico desde hace mucho tiempo, y ahora lo es también en la práctica.
La física cuántica lo permite: un fotón ha retrocedido en el tiempo
Los físicos coquetean con la posibilidad de revertir procesos en el tiempo desde hace muchos años. De hecho, algunos teóricos trabajan en unas herramientas muy peculiares que la mecánica cuántica ha colocado en sus manos: los protocolos de reversión o rebobinado universal. No necesitamos conocer con detalle cómo funcionan estos mecanismos, pero nos viene de perlas saber que sirven para revertir los cambios que ha sufrido un sistema cuántico sin conocer cuál era su estado inicial. Y sin saber tampoco en qué consistieron esos cambios.
Casi parece magia, pero no lo es. Es ciencia. Y, precisamente, el físico teórico españolMiguel Navascuéslidera un equipo de investigación en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de las Ciencias de Austria experto en esta disciplina. Miguel y sus colaboradores han diseñado un innovador protocolo teórico de reversión que propone, a grandes rasgos, qué procedimiento es posible utilizar para conseguir que un sistema cuántico recupere su estado inicial sin conocer qué cambios ha sufrido.
Llevar algo así a la práctica no es nada sencillo, lo que ha provocado que los físicos experimentales que trabajan en esta área no hayan tenido demasiado éxito. Afortunadamente, el panorama ha cambiado. Y es que el equipo de físicos experimentales de la Universidad de Viena dirigido porPhilip Waltherha conseguido implementar con éxito el protocolo de reversión universal diseñado por Miguel Navascués y su equipo.
El corazón de su experimento es un sofisticado equipo óptico constituido por varios interferómetros y enlaces de fibra óptica que se comportan de forma conjunta como un interruptor cuántico. Conocer con detalle cómo funciona este ingenio queda fuera del propósito de este artículo porque, como podemos intuir, su complejidad es extraordinaria. Aun así, quien no se deje intimidar fácilmente y tenga curiosidad puede consultar el artículo que han publicado Navascués, Walther y sus equipos en la revistaÓptica.Merece mucho la pena.
Un apunte antes de seguir adelante: un interferómetro es un dispositivo óptico que emplea una fuente de luz (habitualmente un láser) para medir con muchísima precisión los cambios introducidos en un sistema físico. Descrito de esta forma parece algo muy complicado, y sí, es complicado, pero podemos recurrir a un ejemplo cercano en el tiempo para ilustrar de qué estamos hablando.
Los experimentos LIGO, en Estados Unidos, y Virgo, en Italia, utilizados para identificar y analizar ondas gravitacionalesson interferómetros. Y, como acabamos de ver, ambos incorporan un sofisticado equipo óptico y un láser que les permite medir las perturbaciones gravitatorias generadas por los objetos masivos del cosmos que están sometidos a una cierta aceleración. Estas perturbaciones se propagan por el continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz bajo la forma de ondas, y los interferómetros las recogen.
De alguna forma el interruptor cuántico que han construido los equipos de Navascués y Walther es parecido a LIGO o Virgo, pero a una escala infinitamente menor debido a que su propósito es identificar y medir los cambios introducidos en un sistema cuántico. Lo que han conseguido es asombroso: han revertido con éxito la evolución en el tiempo de un fotón sin conocer previamente ni su estado inicial ni qué cambios había experimentado. En la práctica es lo mismo que viajar hacia atrás en el tiempo.
Este esquema describe el ingenioso equipo óptico diseñado por los investigadores de la Universidad de Viena y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de las Ciencias de Austria.
Parece razonable pensar que conseguir esto con una sola partícula, con un fotón, no es demasiado interesante, pero nada más lejos de la realidad. El resultado que han obtenido estos investigadores, que ya ha sido revisado por pares, es extraordinario porque abre de par en par las puertas que probablemente van a permitirnos entender mucho mejor las reglas que subyacen en el mundo en el que vivimos. Las reglas, en definitiva, de la mecánica cuántica.
Lo que permite a este experimento desmarcarse de otros anteriores que también pretendían demostrar la posibilidad de revertir el estado de un sistema cuántico es que el protocolo de reversión universal de Navascués y Walther ha conseguido hacerlo sin tener ningún tipo de información previa acerca del estado del sistema cuántico. Podemos verlo como si hubiesen conseguido recomponer a la perfección un jarrón de porcelana sin conocer el número de fragmentos que tenían inicialmente, su forma, y mucho menos que pertenecían a un jarrón y eran de porcelana.
En las conclusiones de su artículo estos investigadores insisten en algo muy importante: los resultados que han obtenido no son válidos únicamente en los sistemas cuánticos de naturaleza fotónica, que son los que trabajan con luz; son coherentes con otros sistemas cuánticos. Por esta razón, las aplicaciones de esta tecnología pueden ser muy numerosas, especialmente en el ámbito de la computación cuántica.
Y es que los protocolos de reversión universal pueden en teoría ser utilizados para resolver uno de los mayores desafios que plantean los ordenadores cuánticos: la corrección de errores. De hecho, este es probablemente el muro más alto que los investigadores en computación cuánticatendrán que derribar para conseguir que los ordenadores cuánticos sean capaces de resolver los tipos de problemas complejos en los que en teoría son muy superiores a los superordenadores clásicos.
Imagen de portada: Giallo.
FUENTE RESPONSABLE: Xataka. Por Juan Carlos López. 24 de febrero 2023.
Una investigación consigue retrotraer un fotón al estado temporal en el que se encontraba antes del experimento.
Una nueva investigación ha conseguido por primera vez la reversión real del tiempo en un sistema cuántico, más allá de una especulación matemática o de una simulación.
Llevó un fotón al estado que estaba antes del experimento, sin saber cómo cambiaba en el tiempo, ni tampoco cuáles eran sus estados inicial y final.
Sabemos positivamente que a escala atómica es imposible volver hacia atrás en el tiempo: una vez que batimos un huevo, no sabemos cómo devolverlo a su estado anterior.
Hipotéticamente sería posible, pero necesitaríamos conocer en detalle cómo se movió cada molécula del huevo a lo largo del proceso temporal que modificó su estado natural en otro diferente.
En el mundo cuántico, que es el mundo de lo infinitamente pequeño, rigen otras leyes diferentes que permiten hipotéticamente revertir los procesos físicos, como se ha comprobado mediante simulaciones o especulaciones matemáticas.
Se pueden revertir esos procesos porque el tiempo cuántico está en una superposición de estados en la que pasado, presente y futuro se funden, y en la que los procesos de causa y efecto se invierten.
Primeros pasos
Siguiendo esta línea de investigación, en 2019 científicos rusos consiguieron simular la inversión del tiempo en un ordenador cuántico: crearon un estado que evoluciona en sentido contrario a la flecha del tiempo.
Lo que hicieron estos científicos fue desarrollar unos cubits (la unidad básica de información de la computación cuántica) en el seno de uno de los ordenadores cuánticos creados por IBM y los hicieron evolucionar, es decir, les cambiaron su estado siguiendo la flecha del tiempo del presente al futuro, y luego los volvieron al estado en el que se encontraban antes del experimento, que duró una fracción de segundo.
Siguientes pasos
Los autores de esta investigación aseguran que crearon artificialmente un estado cuántico que se movía en la dirección opuesta a la flecha de tiempo termodinámico.
Una segunda investigación, publicada en 2020, aseguró que es posible no solo simular, sino también revertir, la dinámica cronológica de un sistema cuántico.
Esta investigación estableció incluso los pasos teóricos para realizar un viaje en el tiempo que en realidad consiste en crear una copia “invertida” de un sistema cuántico que sigue las mismas leyes de la evolución, pero a la inversa: retrocede hacia el pasado, en vez de avanzar hacia el futuro.
Paso concreto
Una nueva investigación, esta vez desarrollada por físicos de la Universidad de Viena y del IQOQI de Viena, ha conseguido lo que podría ser el paso definitivo para llevar a la práctica la reversión del tiempo en el mundo cuántico.
Los autores de esta investigación, de la que es primer autor Peter Schiansky, han desarrollado un protocolo que, actuando sobre cualquier cúbit, lo propaga al estado temporal que tenía antes de empezar el experimento.
Explican que este protocolo funciona colocando el cúbit (que ya está naturalmente en una superposición de estados) en una superposición adicional de trayectorias de vuelo, donde se actúa sobre él mediante operaciones cuánticas no caracterizadas, pero repetibles.
Rebobinando el tiempo
Ese protocolo combina por un lado lo que se conoce a nivel teórico como rebobinado universal (porque rebobina el tiempo como si fuera una película), con una configuración óptica compleja, y demuestra, por primera vez experimentalmente, que es posible revertir los cambios temporales de un sistema cuántico.
Para ello, según se explica en un comunicado, emplearon componentes de fibra óptica ultrarrápidos e interferómetros de espacio libre dispuestos como un interruptor cuántico.
Revirtieron con éxito la evolución temporal de un único fotón sin saber cómo cambiaba en el tiempo, ni tampoco cuáles eran sus estados inicial y final.
Garantía de éxito
«Sorprendentemente, este protocolo ni siquiera requiere que se conozca la naturaleza de las interacciones con el sistema cuántico», dice Schiansky.
Este protocolo de rebobinado universal es óptimamente eficiente en su tiempo de ejecución y se puede ampliar para tener éxito con una probabilidad arbitrariamente alta, aseguran los investigadores.
La prueba de que los protocolos de rebobinado existen en esta forma general y que son técnicamente factibles contribuye a nuestra comprensión de la mecánica cuántica fundamental, según los científicos.
Mejorar la computación cuántica
En el futuro, estos protocolos podrían convertirse en una herramienta útil en las tecnologías de la información cuántica, concluyen los investigadores.
Hay que tener en cuenta que todas estas investigaciones no están pretendiendo poner los cimientos de una futura nave que pueda viajar a través del tiempo basándose en tecnologías cuánticas, sino más bien posibilitar que un ordenador cuántico regrese periódicamente al pasado inmediato para corregir posibles errores y desarrollar nuevas funciones como si nada hubiera ocurrido, sin arrastrar las consecuencias de los fallos anteriores.
Imagen de portada: Es imposible revertir la metamorfosis que sufre una planta de un diente de león cuando soplamos sobre ella. C: CHRISTINE SCHIANSKY @FREOWYNART
FUENTE RESPONSABLE: Levante. El Mercantil Valenciano.España. Por Eduardo Martinez de la Fe. 13 de febrero 2023.
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El gato de Schrödingeres probablemente la paradoja más popular de la ciencia, famosa por su idea de superposición en el supuesto de un gato en una caja que puede estar vivo o muerto a la vez, pero esto es una idea bastante básica, por eso hoy toca hablar del gato más famoso en la ciencia.
Primero es necesario explicar un poco sobre la historia de la cuántica. La aparición de la mecánica cuántica moderna marcó un antes y un después en la cómo los físicos describían a las teorías como deterministas, sin dar espacio a una posible doble cara de dicha teoría, sin poner en duda el resultado de cada experimento. Es entonces cuando aparece la cuántica moderna, cambiando las reglas y abriendo paso a un mundo de probabilidades en cada experimento.
En los años 20 los científicos trataban de desarrollar una teoría coherente, donde nace la interpretación de Copenhague, en la que básicamente la interpretación de la mecánica cuántica se considera tradicional u ortodoxa. Por la que la mecánica de matrices de Heisenberg se entremezcla con la mecánica ondulatoria de Schrödinger, donde en un sistema cuántico (como una partícula) evoluciona en el tiempo como una onda y se incluyen las posibles valores y posiciones de dichas partículas. En otras palabras; una superposición cuántica.
Mientras no intervenga una medición de las propiedades de dicha onda esta permanece teniendo varios valores simultáneamente y manteniendo su superposición cuando no es observada, pero cuando la medimos, entonces la onda desaparece y se transforma en una partícula con una única posición, haciendo imposible predecir cuál será el resultado. ¿No te recuerda al escenario de un famoso gato?
Pues sí, gracias a esta interpretación es que se postula la paradoja del gato de Schrödinger, en la que se pretende evidenciar la interpretación de Copenhague. Aunque no de una manera tan amena. De hecho, anteriormente científicos como Albert Einstein habían puesto en duda dicha interpretación resaltando «Dios no juega a los dados».
Vamos con la paradoja:
Seintroduce un gatovivo en una caja hermética. Junto a él hay una vasija cerrada con un gas venenoso y un dispositivo preparado para romper la vasija y dejar libre el gas que mataría al gato. El mecanismo se basa en átomos radiactivos que se desintegran de manera cuántica, por lo que su función de onda incluye ambos estados: integrado y no desintegrado. El detector de partículas radiactivas hace la función de interruptor para dejar escapar o no el gas dependiendo de la posición del átomo. Al estar en superposición, el átomo está descompuesto y compuesto a la vez, por lo que el veneno está contenido y libre al mismo tiempo y, en consecuencia, el gato está vivo y muerto de forma simultánea. Hay un 50% de probabilidades de que ambos desenlaces ocurran.
Tal como explicaComputerHoy:Con este experimento mental, Schrödinger pone de manifiesto los problemas que presentaba la Interpretación de Copenhague. Un gato no puede estar muerto y vivo a la vez. Para todos los seres humanos, con conocimientos sobre física o no, esta idea es ridícula. Así, con esta historia y un simple gato se plantean los puntos débiles de la interpretación de la mecánica cuántica.
Aunque Schrödinger fue unos de los padres de la cuántica, llegó al punto de renegarla, no obstante, hizo una de las contribuciones más valiosas para esta área; La ecuación de Schrödinger..
Imagen de portada: Ilustración de la “Paradoja de Schrödinger”
FUENTE RESPONSABLE: Ciencia. Por Brandon Córdova. 1 de octubre 2022
Avi Loeb nos cuenta en su columna de hoy cómo el efecto túnel cuántico permite que tanto objetos como partículas sean capaces de atravesar todo tipo de barreras sin sufrir un solo rasguño.
Según el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, un coche puede, en principio, atravesar intacto un muro de ladrillos. Pero como el coche es un objeto masivo [masivo en física se refiere a la masa. N.del T.], la probabilidad de que eso ocurra es insignificante.
Sin embargo, las partículas elementales tienen una mayor probabilidad de atravesar una barrera mediante el efecto túnel cuántico. Esto se debe a que no están tan localizadas como un objeto masivo, y la función de onda que caracteriza la probabilidad de distribución de su ubicación incierta tiene una cola extendida que podría sobrepasar el obstáculo. Si golpeamos suficientes pelotas de tenis con una raqueta, descubriremos que una de ellas atraviesa la raqueta debido al efecto túnel.
Pero esto requeriría muchas más pelotas de las que podemos hacer rebotar a lo largo de la edad del universo Afortunadamente, la fusión nuclear en el interior de las estrellas es posible gracias al túnel cuántico que atraviesa la barrera de repulsión eléctrica entre los núcleos en estado de fusión. Los elementos pesados, como el oxígeno y el carbono, que son esenciales para la vida, nunca se habrían creado en el interior de las estrellas sin que entrara en juego el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. En resumen, debemos nuestra existencia a la mecánica cuántica.
Pero, ¿podría el efecto túnel tener también importancia cosmológica? En un nuevoartículo, demostré que si la materia oscura estaba formada por partículas ultraligeras, el efecto túnel habría permitido que estas partículas se evaporaran de los pozos de potencial gravitatorio que las unen a las galaxias enanas dentro del halo de la Vía Láctea.
El centro de la Vía Láctea. (NASA)
En la física clásica, la gravedad de marea de la Vía Láctea sólo puede romper las partículas de materia oscura si residen en la periferia de estas galaxias satélite. Pero en la mecánica cuántica, incluso las partículas que están ligadas gravitatoriamente al interior de los núcleos de estos satélites, podrían hacer un túnel a través de la barrera gravitatoria que las une. La probabilidad de atravesar el túnel es alta para las partículas de baja masa cuya función de onda se extiende por el principio de incertidumbre a lo largo de una gran distancia.
El paradigma popular de la materia oscura fría predice la divergencia de la densidad de masa a través de las llamadas ‘cúspides’ en los centros de todas las galaxias, pero las observaciones implican perfiles de densidad más suaves de lo esperado. Para aliviar la tensión entre la teoría y las observaciones, se sugirió que tal vez la materia oscura esté hecha de partículas muy ligeras para las que el principio de incertidumbre está suavizando el perfil de densidad interior del centro de las galaxias.
La Vía Láctea vista de perfil. (Wikimedia commons)
Para que esto sea así, las partículas de materia oscura deben tener una masa 31 órdenes de magnitud menor que la de un protón. Mi nuevo artículo muestra que si las partículas de materia oscura tuvieran esta masa, habrían salido del pozo de potencial de las galaxias enanas dentro del halo de la Vía Láctea.
La mecánica cuántica se construyó para explicar el comportamiento de los sistemas más pequeños que conocemos, como las partículas elementales unidas en átomos. Pero sus principios universales pueden utilizarse para estudiar algunos de los mayores sistemas ligados que conocemos, las galaxias. Esto no es sorprendente, ya que tanto lo pequeño como lo grande obedecen a los mismos principios universales de la física.
El efecto túnel de la mecánica cuántica permitiría atravesar una montaña.
En principio, podríamos detectar los túneles cuánticos en nuestra rutina diaria. Si golpeamos suficientes pelotas de tenis con una raqueta, descubriremos que una de ellas atraviesa la raqueta debido al efecto túnel.
Pero esto requeriría muchas más pelotas de las que podemos hacer rebotar a lo largo de la edad del universo. Algunos sucesos son simplemente demasiado raros para que podamos presenciarlos. Pero, al igual que ocurre con ganar la lotería, sabemos que en principio podrían ocurrir, como ocurre con la fusión de núcleos o de partículas de materia oscura.
Según la mitología griega, Sísifo fue condenado por los dioses a subir repetidamente una roca por una colina para que volviera a rodar hacia abajo una vez que se acercara a la cima. En su ensayo filosófico titulado ‘El mito de Sísifo’, Albert Camusutilizó esta historia como metáfora de nuestra persistente lucha contra el carácter esencialmente absurdo de la vida. Al permitir el efecto túnel, la mecánica cuántica elimina la necesidad de esta lucha existencial. Afirma que si seguimos esperando con paciencia, la roca acabará por sí sola al otro lado de la colina. Quizá deberíamos relajarnos, disfrutar de la vida al pie de la colina y dejar que la naturaleza haga el resto.
Imagen de portada: Los túneles cuánticos permiten que un coche atraviese un muro sin un rasguño. (Samuele Piccarini – Unsplash)
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Es imposible no sentirse impresionado cuando tienes delante el currículo de Ignacio Cirac. Este manresano se ha erigido como uno de los padres fundacionales delacomputación cuántica, lo que le ha llevado a ser uno de los científicos más citados, y por tanto más relevantes, en su área de investigación. Y también uno de los más premiados.
De hecho, tiene en su poder, entre muchos otros galardones, el Premio Príncipe de Asturias, la Medalla Max Planck y el Premio Wolf, considerado la antesala del Nobel. Se licenció en física en la Universidad Complutense de Madrid, en 1988, y tres años más tarde obtuvo su doctorado gracias a su trabajo en el área de la óptica, que es la rama de la física que analiza las propiedades de la luz.
Ignacio Cirac tiene en su poder, entre muchos otros galardones, el Premio Príncipe de Asturias, la Medalla Max Planck y el Premio Wolf, considerado la antesala del Nobel
Hasta aquí no hay nada en su expediente que no esté al alcance de otras muchas personas con una formación equiparable, pero solo hemos arañado la superficie de su trayectoria profesional. No es necesario que repasemos de forma exhaustiva el periplo que inició después de finalizar su doctorado, pero para formarnos una idea certera del camino que ha seguido hasta llegar al lugar en el que se encuentra hoy nos interesa hacer varias paradas de avituallamiento de carácter biográfico.
Y su lugar hoy está, ni más ni menos, en la dirección de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuánticaalojado en Garching, una localidad apacible situada a pocos kilómetros de Múnich. Sus aportaciones a la teoría que sustenta la computación cuántica son esenciales. De hecho, no es en absoluto exagerado afirmar que Ignacio Cirac es en el ámbito de la computación cuántica lo que los hermanos Wright fueron en el dominio de la aviación. Esta es su historia.
Su inquietud por saciar su curiosidad le colocó en los brazos de la física cuántica
¿Qué te animó a estudiar física y no otra carrera con vocación científica o técnica, como matemáticas o una ingeniería?
La decisión la tomé en el último momento. Yo siempre había querido ser ingeniero. La ingeniería me gustaba mucho, pero también me apasionaba entenderlo todo en profundidad, y pensé que probablemente la física me daba mucha más cancha para poder hacerlo. Así que empecé la carrera, y más adelante, cuando me encontré con la física cuántica y otras asignaturas que también me gustaron mucho, quedé convencido de que había tomado la decisión correcta.
¿Cómo fue tu contacto con la física cuántica durante tu formación como físico? ¿Descubriste enseguida que era una disciplina que te interesaba especialmente o fue un enamoramiento paulatino?
Realmente mi contacto más profundo con ella fue durante el tercer año de carrera, y descubrí que era una asignatura que me gustaba mucho por varios motivos. En primer lugar es una asignatura que tiene connotaciones filosóficas, y a mí me gustaba la filosofía. Además, es una teoría muy matemática, y entonces ya me interesaban mucho las matemáticas. Y, por último, es una teoría que nos cuenta de qué estamos hechos, que es algo muy interesante, pero que también tiene aplicaciones.
Conocerla te permite hacer cosas que no puedes abordar sin descubrirla. Esto también me resultó muy atractivo. Durante los primeros años de carrera no tenía muy claro qué camino seguir durante mi especialidad, y en el último momento, cuando me encontré con la física cuántica, quedé convencido de que quería hacer física teórica, que es una de las formas de poder dedicarte a la física cuántica.
Su colaboración con Peter Zoller apuntaló los cimientos de la computación cuántica
Al terminar su doctorado en la misma universidad en la que se licenció, se abrió ante Ignacio Cirac una puerta que temía que permaneciese entornada para él dada la endogamia que está tan arraigada en la universidad española: la posibilidad de dedicarse a la investigación y la docencia como profesor titular en el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Castilla-La Mancha.
No cabía duda de que era una oportunidad que alguien impaciente por investigar no podía pasar por alto, así que en 1991 hizo la maleta y se trasladó a Ciudad Real. Durante los dos años siguientes Ignacio compatibilizó la docencia y la investigación en esta institución educativa, pero en 1993 decidió hacer un alto en el camino para trasladarse a Boulder, en Colorado (Estados Unidos), y hacer su posdoctorado investigando junto al veterano físico austríaco Peter Zoller.
Los caminos de Cirac y Zoller se cruzaron en el Laboratorio de Astrofísica de la Universidad de Colorado en Boulder, y discurrieron juntos durante varios años muy fructíferos. De hecho, la colaboración de estos dos científicos no tardó en fraguar, lo que les llevó a escribir a cuatro manos uno de los trabajos por los que ambos han sido candidatos al Premio Nobel de Física: la descripción teórica del primer ordenador cuántico.
Ignacio Cirac y Peter Zoller se han consolidado como dos de los científicos más citados en su área de investigación
Aquel fue solo uno de los artículos en los que ambos investigadores trabajaron juntos con el objetivo de proponer los fundamentos teóricos de una disciplina, la computación cuántica, que desde ese momento ha experimentado un desarrollo muy notable.
Su trabajo, y el de algunos de sus colaboradores, es el pilar sobre el que empresas estadounidenses como Google, IBM, Honeywell o Intel, la compañía china Alibaba, o el gobierno chino, entre otras organizaciones, han puesto a punto los prototipos de ordenadores cuánticos que tenemos actualmente.
Después de su estancia en Colorado, Cirac regresó a España y retomó sus clases en la Universidad de Castilla-La Mancha hasta que en 1996 aceptó una propuesta de la Universidad de Innsbruck, en Austria, que le permitió dar un nuevo salto hacia delante en su carrera.
El trabajo de Ignacio Cirac, Peter Zoller y otros científicos ha afianzado la base teórica que ha hecho posible la puesta a punto de los ordenadores cuánticos que tienen empresas como Google, IBM, Honeywell o Intel.
Peter Zoller se había formado en esa institución, y poco antes, en 1994, había regresado de Estados Unidos para dirigir el Instituto de Física Teórica. No cabe duda de que la presencia de su colega propició que Cirac decidiese aceptar la oferta y ejercer como profesor en ese mismo instituto.
Durante la segunda mitad de los 90 Cirac y Zoller publicaron junto a otros investigadores decenas de artículos en algunas de las publicaciones científicas más prestigiosas. Algunas de sus principales áreas de trabajo fueron los ordenadores cuánticos basados en trampas de iones, la teoría de la información cuántica, la óptica cuántica o las simulaciones cuánticas.
Las contribuciones de ambos autores en este campo fueron tan relevantes que en poco tiempo Zoller y Cirac se consolidaron como dos de los científicos más citados en su área de investigación. Pero aún aguardaba una nueva oportunidad para el físico español. En 2001 sus aportaciones en el ámbito de la física teórica provocaron que la dirección de la prestigiosa ísima Sociedad Max Planck se fijase en él para dirigir la División Teórica de su Instituto de Óptica Cuántica.
¿Tenías la ilusión de dedicarte a la docencia y la investigación desde que comenzaste tu formación como físico, o fue una oportunidad que se presentó al finalizar tu doctorado?
Fue al final. No tenía muy pensado qué iba a hacer. De hecho, mientras estaba estudiando la carrera de Físicas empecé a estudiar también Industriales porque no sabía realmente si quería ser físico o ingeniero. Hice la tesis porque, entre otras cosas, pensaba terminar mientras tanto la carrera de Ingeniería Industrial, pero obtuve una beca que me permitía ir al extranjero, y al aceptarla conocí algunos grupos y descubrí que realmente me gustaría dedicarme a la investigación. Fue hacia el final de mi tesis doctoral.
A principios de los 90 tu camino y el de Peter Zoller se cruzaron en Estados Unidos. Juntos habéis dado forma a la base teórica de la computación cuántica, por lo que con todo merecimiento se os considera los padres fundacionales de esta disciplina, pero ¿cuál fue el germen de la computación cuántica? ¿Cómo se te presentó la oportunidad de investigar en una disciplina que entonces era completamente innovadora?
Conocí a Zoller cuando estaba haciendo el doctorado porque me fui a pasar tres meses con él. Durante la carrera tuve la suerte de tener muy buenos profesores de física cuántica, y, entre otras cosas, nos hablaban de las implicaciones más extrañas de esta disciplina, y las entendíamos muy bien. Creo que salí muy bien preparado para poder saltar a un tema nuevo como este. Después, mientras estuve trabajando en mi postdoctorado, empezaron a surgir algunos artículos que no estaban relacionados directamente con la computación cuántica, pero trataban la criptografía cuántica y el teletransporte.
Ese fue el momento en el que me puse a trabajar en estos temas. Pero no fue hasta el año 94, en el que salió el algoritmo de Shor, que es muy importante para los ordenadores cuánticos, cuando Peter Zoller y yo nos dedicamos de lleno a ello. Estábamos trabajando en temas relacionados con la computación cuántica, y por eso no nos quedaba muy lejos, así que fuimos a una conferencia en la que insistieron en la importancia que tendría un ordenador cuántico, pero nadie sabía cómo construirlo. Y tampoco si realmente se podría hacer. Entonces nosotros nos dimos cuenta de que pensábamos que sabíamos cómo construirlo. Ahí empezó todo.
Tuvo que ser un momento muy emocionante al ser conscientes de que teníais ante vosotros algo realmente nuevo y de que podíais realizar una contribución importante…
Desde luego. Hay que tener en cuenta que en el año 94 la computación cuántica era algo muy exótico. Ahora no lo es, pero en aquel momento pensar que ibas a construir un ordenador utilizando los principios de la física cuántica era algo inaudito. Decidimos tomar ese riesgo porque sabíamos que a corto plazo no iba a pasar nada, pero creíamos que a largo plazo podría tener un impacto muy grande. Vimos una oportunidad y nos metimos en ella a fondo.
Esta fotografía de Ignacio Cirac ha sido tomada durante una de las conferencias que pronuncia para contribuir a la divulgación de la física cuántica y los principios que hacen posibles los ordenadores cuánticos (autora: Diana Martínez Llaser).
El impacto de buena parte de los artículos que has publicado junto a otros investigadores ha sido muy profundo. ¿Esperabas que tu trabajo tuviese una recepción tan positiva por parte de la comunidad científica? ¿Cómo recibiste ese impacto inicial que te ha colocado como uno de los científicos más citados en tu área de investigación?
La verdad es que nunca me paré a pensarlo. Fue algo que me sobrevino. Estaba trabajando con Peter Zoller y otros colaboradores en temas que creíamos que podrían ser importantes para el futuro, pero no pensamos en el impacto que podrían tener, sino más bien en que era nuestro cometido como investigadores cuyo trabajo se financiaba con dinero público. Cabía la posibilidad de que ese esfuerzo tuviese un impacto positivo en la sociedad.
Lo que hicimos fue reunir el mundo de las teorías abstractas de la computación cuántica, que eran algo muy exótico, con el trabajo de los físicos atómicos, los físicos moleculares, los físicos de óptica… De alguna forma trajimos una gran comunidad asociada a la computación cuántica. Esto fue lo que provocó el impacto. De alguna forma les convencimos de que todo esto tenía interés y de que merecía la pena trabajar en ello.
Su obra habla por él: ha publicado más de 500 artículos científicos
Ignacio Cirac lleva dos décadas al frente del departamento de física teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica. Durante todo este tiempo ha seguido desarrollando el trabajo que inició junto a Peter Zoller a mediados de los 90, de modo que la mejor forma de seguir su trayectoria no es otra que revisar los artículos que ha publicado en algunas de las revistas más prestigiosas, como Nature, Physical Review Letters, Advances in Physics o Science, entre otras(aquí tenéis un repositorioen el que podéis echar un vistazo a algunos de ellos).
Ignacio Cirac lleva dos décadas al frente del departamento de física teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica
Es innegable que es un investigador muy prolífico, y, además, el hecho de que sea uno de los autores más citados en su campo avala la relevancia que tienen sus estudios. Una de sus especialidades es la teoría del entrelazamiento cuántico, lo que le ha llevado a ser considerado uno de los mayores expertos mundiales en esta materia en particular.
No obstante, sus áreas de interés son muy diversas y abordan materias tan interesantes como son los repetidores cuánticos,la teoría cuántica de la información desde una perspectiva general o los estados cuánticos,entre muchas otras áreas.
Enumerar sus aportaciones más relevantes a la computación cuántica es una tarea casi inabarcable dada la extensión de su trabajo, pero, por citar tan solo un par de ellas, demostró que la manipulación asintótica del entrelazamientoes irreversible, y también cómo se puede identificar la presencia deentrelazamiento en sistemas gaussianos.
Cirac ha publicado sus artículos en algunas de las revistas científicas más prestigiosas, como Nature, Physical Review Letters, Advances in Physics o Science.
Todo esto es muy complejo, es verdad. No puede ser de otra forma si nos adentramos en la obra de un científico que ha erigido su carrera sobre una disciplina tan complicada y contraintuitiva como es la mecánica cuántica.
Por esta razón os propongo que volvamos al origen de la investigación de Ignacio Cirac. A mediados de los 90. Y es que en 1995 publicó junto a Peter Zoller el artículo que es unánimemente considerado la piedra angular que soporta el nacimiento de la computación cuántica tal y como la contemplamos actualmente.
En él estos dos científicos proponen, ni más ni menos, cómo se puede construir un ordenador cuántico. Su contenido es complejo, pero, a pesar de ser poco asequible, es el texto que os sugiero consultar si tenéis curiosidad y os apetece echar un vistazo a uno de los artículos clásicos de Cirac. Aquí lo tenéis.
En 1995 Cirac publicó junto a Peter Zoller el artículo que es unánimemente considerado la piedra angular que soporta el nacimiento de la computación cuántica tal y como la conocemos
No obstante, antes de que indagueis en él merece la pena que dediquemos unos minutos a repasar brevemente cuatro ideas básicas que dan forma a los fundamentos de la computación cuántica y que pueden ayudarnos a acercarnos a los artículos de Cirac. Al fin y al cabo él es uno de los científicos que han contribuido al afianzamiento de estos principios.
El punto de partida que os proponemos para estar mínimamente familiarizados con los ordenadores cuánticos requiere conocer qué es un cúbit, qué es un estado cuántico, qué es la superposición y cómo funciona el entrelazamiento cuántico.
Un cúbit, o bit cuántico, es la unidad mínima de información manipulada por un ordenador cuántico, de la misma forma en que un bit ejerce la misma función en los ordenadores clásicos. Lo sorprendente es que los cúbits, a diferencia de los bits, no tienen un único valor en un momento dado; lo que tienen es una combinación de los estados cero y uno simultáneamente. Pueden tener mucho de estado cero y poco de estado uno. O mucho de estado uno y poco de estado cero. O lo mismo de ambos. O cualquier otra combinación de estos dos estados que se os ocurra.
La física que explica cómo se codifica el estado cuántico de un cúbit es compleja. No es necesario que profundicemos en esta parte para intuir los fundamentos de la computación cuántica, pero sí es interesante que sepamos que el estado cuántico está asociado a características como el espín de un electrón, que es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, al igual que la carga eléctrica, derivada de su momento de rotación angular.
Esta idea no resulta intuitiva, pero tiene su origen en uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica conocido como principio de superposición de estados. Y es esencial porque en gran medida explica el enorme potencial que tienen los procesadores cuánticos.
En un ordenador clásico la cantidad de información que podemos codificar en un estado concreto utilizando n bits tiene tamaño n, pero en un procesador cuántico de n cúbits un estado concreto de la máquina es una combinación de todas las posibles colecciones de n unos y ceros.
Cada una de esas posibles colecciones tiene una probabilidad que nos indica, de alguna forma, cuánto de esa colección en particular hay en el estado interno de la máquina, que está determinado por la combinación de todas las posibles colecciones en una proporción concreta indicada por la probabilidad de cada una de ellas.
Como veis, esta idea es algo compleja, pero podemos intuirla si aceptamos el principio de superposición cuántica y la posibilidad de que el estado de un objeto sea el resultado de la ocurrencia simultánea de varias opciones con distinta probabilidad.
El entrelazamiento cuántico no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo.
Ya solo nos queda repasar brevemente qué es el entrelazamiento cuántico. Este fenómeno no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo. Esto significa que estos objetos, en realidad, forman parte de un mismo sistema, incluso aunque estén separados físicamente. De hecho, la distancia no importa.
Los cúbits, a diferencia de los bits, no tienen un único valor en un momento dado; tienen una combinación de los estados cero y uno simultáneamente
Si dos partículas, objetos o sistemas están entrelazados mediante este fenómeno cuántico, cuando midamos las propiedades físicas de uno de ellos estaremos condicionando instantáneamente las propiedades físicas del otro sistema con el que está entrelazado. Incluso aunque esté en la otra punta del universo. Suena a ciencia ficción, pero por muy extraño y sorprendente que nos parezca este fenómeno se ha comprobado empíricamente.
Algunos científicos, como el matemático israelí y profesor en Yale Gil Kalai, ponen en duda que en el futuro vayamos a tener ordenadores cuánticos dotados de la capacidad de corregir sus propios errores. ¿Qué opinas acerca de esta previsión? ¿Es imprescindible resolver el reto que plantea implementar la corrección de errores para conseguir que los ordenadores cuánticos se enfrenten a problemas significativos?
No necesariamente. Hay dos caminos. Desarrollar un ordenador cuántico que no tenga errores es muy complicado. No tengo ninguna duda de que va a pasar (en este ámbito no estoy de acuerdo con lo que dice Gil), pero creo que va a tardar mucho tiempo. El otro camino consiste en coger los prototipos que ya tenemos, que son muy pequeños y no funcionan del todo bien porque tienen errores, y hacer con ellos algo que sea significativo.
La primera opción es la más importante porque creo que tendrá un impacto enorme en la sociedad, pero tendremos que esperar. La segunda, sin embargo, es algo que está abierto. Es posible que surjan algunas aplicaciones importantes que sea posible abordar con los prototipos de ordenadores cuánticos que tenemos, o puede que no. Todavía no lo sabemos con certeza, pero creo que merece la pena apostar por ello porque en el caso de que surja alguna podría tener un impacto grande en la sociedad.
¿Cuántos cúbits debe tener un ordenador cuántico dotado de la capacidad de corregir sus propios errores? ¿Hay alguna previsión acerca de cuándo podríamos tener un ordenador cuántico de este tipo?
El número de cúbits dependerá del tipo de problemas que queramos resolver con los ordenadores cuánticos. Para abordar problemas simbólicos necesitaremos tener varios millones de cúbits. Probablemente, incluso, cientos de millones de cúbits. En estos momentos estamos hablando de cien cúbits, por lo que queda un camino largo por recorrer. Hay gente que dice que con 100 000 cúbits tal vez se pueda resolver algún problema específico, pero realmente hacen falta muchísimos cúbits.
«Con 100 000 cúbits tal vez se pueda resolver algún problema específico, pero realmente hacen falta muchísimos cúbits»
El problema es que integrar más es difícil porque las condiciones en las que se tienen que encontrar si utilizamos superconductores son muy extremas. La temperatura debe ser mucho más baja que la que podemos encontrar en cualquier lugar del universo, o bien tienen que estar en un vacío completo. Tendríamos que quitar todos los átomos; todas las moléculas. Esto quiere decir que a la hora de incrementar el número de cúbits tenemos que encontrar la forma de añadirlos manteniendo esa temperatura, y no es fácil.
Estamos ante un desafío tecnológico muy importante. Y en el caso de los iones los problemas con los que nos encontramos son parecidos, o, incluso, más complejos. No cabe duda de que hay una dificultad tecnológica grande, pero no se trata de una imposibilidad. Se está haciendo mucha investigación, y se está intentando salir adelante.
Los ordenadores cuánticos que tenemos actualmente incorporan unas pocas decenas de cúbits. ¿Qué podemos hacer con ellos? ¿Ya nos están ayudando a resolver problemas del mundo real que van más allá de las aplicaciones meramente experimentales?
Por ahora no, pero sabemos que probablemente nos ayudarán a resolver un tipo concreto de problemas de simulación cuántica, que grosso modo consisten en resolver las ecuaciones que aparecen cuando estudiamos materiales con propiedades especiales. Tienen interés en el diseño de materiales exóticos. Sabemos con certeza que en este ámbito los ordenadores cuánticos tienen aplicaciones.
Hay otro caso que es bastante especulativo, pero en el que también podrían tener aplicaciones: en el mundo de la química involucrado en el diseño de fármacos. No está del todo claro que sea así, pero podría serlo. Y también hay otros escenarios aún mucho más especulativos, que son los problemas industriales de optimización. Por supuesto, no digo que sea imposible utilizar en este ámbito los ordenadores cuánticos, pero sí que es muy difícil. En cualquier caso, merece la pena intentarlo.
De lo que me estás explicando se desprende que los ordenadores cuánticos van a tener sus campos de especialización, por lo que deberían convivir en armonía con los superordenadores clásicos que tenemos actualmente…
Los ordenadores cuánticos se dedicarán a los problemas que he mencionado, pero si en algún momento desarrollamos los ordenadores cuánticos sin errores, serán universales. Esto no quiere decir que sean útiles para todo, sino que será posible programarlos y hacer con ellos muchas cosas.
La cuestión es averiguar si eso que podemos hacer lo podrán resolver más rápido que un superordenador clásico. Sabemos que en unos casos sí será así, y en otros no. En cualquier caso, parece razonable pensar que los ordenadores cuánticos convivirán con los superordenadores tanto a corto como a largo plazo.
La comunidad científica celebró por todo lo alto la llegada de la supremacía cuántica
En septiembre de 2019 se filtró en la página web de NASA un artículo científico elaborado por un equipo de investigadores de Google en el que asegurabanhaber alcanzado un hitomuy anhelado: la supremacía cuántica.
No tardaron en surgir voces discordantes que ponían en duda que realmente hubiesen conseguido materializar este logro (una de las organizaciones más críticas con Google fue IBM), pero después de varias semanas de debate, ytras la publicación en Naturedel artículo de Google, la discusión se relajó y el grueso de la comunidad científica aceptó que, efectivamente, la supremacía cuántica había sido alcanzada.
Este hito refleja que un ordenador cuántico ha sido más rápido en la práctica que un ordenador clásico cuando ambos se enfrentan a la resolución de un mismo problema. No obstante, esta definición admite matices. ¿En qué medida debe ser más rápido el ordenador cuántico? ¿Mucho? ¿Basta que lo sea solo un poco?
La idea comúnmente aceptada propone que la máquina cuántica consiga resolver en un plazo de tiempo abarcable un problema que un superordenador clásico resolvería en un plazo de tiempo inasumible dada su extensión.
El equipo de Google dirigido por John Martinis fue el primero que consiguió alcanzar la supremacía cuántica. Unos meses después este hito fue materializado también por un grupo de investigadores chinos liderado por Jian-Wei Pan.
Tanto el equipo de Google dirigido por John Martinis como el grupo de investigadores chinos liderado por Jian-Wei Pan han conseguido alcanzar la supremacía cuántica. A estas alturas ningún investigador relevante parece ponerlo en duda, pero Ignacio Cirac fue uno de los primeros expertos que no dudaron en mojarse y defender pocos días después del anuncio de Google que, efectivamente, los investigadores de esta compañía habían materializado este logro.
¿Cómo recibiste la noticia de que Google había alcanzado la supremacía cuántica? ¿Esperabas que llegase ese hito en el momento en el que lo hizo?
Sí debido a que había muchos rumores previamente. A las personas que trabajamos en este campo no nos sorprendió, pero nos ilusionó porque realmente fue un hito. Se llevaron a cabo muchas demostraciones con prototipos de ordenadores cuánticos anteriormente, pero todas ellas resolvían problemas que podíamos solucionar con más rapidez utilizando un ordenador portátil convencional.
En ese momento vimos por primera vez que hay un problema académico muy concreto sin aplicaciones que un ordenador cuántico podía resolver mucho más rápido que cualquier superordenador que tengamos hoy en día.
A la búsqueda de mejores cúbits y las tan anheladas aplicaciones prácticas
Los prototipos de ordenadores cuánticos que tenemos actualmente tienen un largo camino por delante para consolidarse como una herramienta capaz de ayudarnos a resolver algunos de los grandes problemas a los que nos enfrentamos.
Los mayores desafíos que debemos superar para poner a punto un ordenador cuántico completamente funcional consisten en implementar un sistema de corrección de errores, desarrollar cúbits de más calidad y diseñar nuevas herramientas que nos permitan controlarlos con precisión y llevar a cabo más operaciones lógicas con ellos.
Pero esto no es todo. También necesitamos implementar nuevos algoritmos cuánticos que sean capaces de ayudarnos a abordar los problemas que no podemos resolver con los superordenadores clásicos más potentes que tenemos hoy en día. Precisamente esta es una de las áreas en las que Cirac está trabajando con más ahínco actualmente.
Cirac está trabajando en la búsqueda de aplicaciones prácticas que puedan ser abordadas por los ordenadores cuánticos que tenemos
Está contribuyendo en la búsqueda de aplicaciones prácticas que puedan ser abordadas por los ordenadores cuánticos que tenemos hoy, a pesar de que cometen errores. No basta idear qué podremos hacer con los ordenadores cuánticos que tendremos en el futuro, que con suerte serán inmunes a los errores y nos permitirán hacer muchas más cosas con ellos.
Los investigadores actualmente estáis trabajando en dos formas de implementar los cúbits: con superconductores y con trampas de iones. ¿Cuál de las dos opciones te parece más prometedora? ¿Qué retos plantea el desarrollo de cúbits de más calidad?
A largo plazo no lo sabemos. Es posible que ninguna de estas dos formas de implementar los cúbits sea la óptima, y que lo sea otra diferente. Hay un desarrollo tecnológico tan importante que cabe la posibilidad de que otras tecnologías que quizá están más atrasadas actualmente puedan avanzar. Si nos ceñimos al corto plazo, a los prototipos que tenemos con errores, yo diría que cada una de estas dos tecnologías tiene su potencial.
Probablemente los cúbits superconductores nos ayudarán a tener más cúbits, pero creemos que tendrán más errores que los cúbits de iones. También hay una tercera tecnología, los átomos neutros, en la que están trabajando varios grupos de investigación y que está consiguiendo reunir más cúbits manteniendo la exactitud y la falta de errores de los otros sistemas. Espero que muy pronto consigamos desarrollar tecnologías más avanzadas que consigan superar a las que tenemos hoy en día.
Desde fuera del ámbito académico da la sensación de que el desarrollo de la computación cuántica se está acelerando. ¿Es realmente así?
Sí, desde luego. Se está acelerando muchísimo, sobre todo debido a la entrada de la industria. Para algunos gobiernos es una prioridad nacional tener acceso a los ordenadores cuánticos lo antes posible, o, al menos, al mismo tiempo que los demás países. La Unión Europea, Estados Unidos, China, Australia o Japón son algunos de los países que están financiando la investigación en esta área, pero lo más importante es que la industria tecnológica se ha metido de una forma ambiciosa.
Google, IBM, Amazon, Microsoft o Intel son algunas de las empresas que están trabajando en computación cuántica, y sus recursos aceleran mucho más el desarrollo que si solo contásemos con varios laboratorios en los que investigan unas pocas decenas de estudiantes.
De alguna forma percibo un cierto paralelismo entre la computación cuántica y la fusión nuclear. Ambas innovaciones se apoyan en una base teórica muy sólida, pero llevarlas a la práctica nos obliga a enfrentarnos a desafíos tecnológicos casi titánicos. ¿Te parece una comparación acertada?
Sí, así es. Lo único es que los desafíos son un poco distintos. En el caso de la fusión nuclear necesitas una gran instalación con muchos elementos funcionando de manera sincronizada, mientras que un ordenador cuántico es algo más pequeño. Es algo que se puede hacer en muchos sitios. En el fondo estoy de acuerdo contigo, por lo que las diferencias entre estas dos innovaciones residen en los detalles.
«Los científicos somos muy cautelosos. Estamos entusiasmados con el momento que estamos viviendo, pero somos muy cautelosos para no levantar falsas expectativas»
Aun así, tenemos que ser realistas y pensar que aunque tenemos un entusiasmo tremendo, especialmente después de los últimos anuncios que se han hecho, como la llegada de la supremacía cuántica, posiblemente no se van a cubrir nuestras expectativas. Todo lo que se está prometiendo hoy en día no se va a cumplir en el corto plazo, por lo que tenemos que ir pensando qué vamos a hacer cuando veamos que todas esas promesas quizá no ocurren en el plazo de tiempo que tenemos en mente. Los científicos somos muy cautelosos. Estamos entusiasmados con el momento que estamos viviendo, pero somos muy cautelosos para no levantar falsas expectativas.
Tenemos un aparato extraordinario que está basado en unas ideas muy extrañas. Es algo realmente fantástico. Mágico. Difícil de entender. Pero no funciona del todo bien, y tenemos que tener mucha paciencia para mejorarlo y descubrir cómo podemos utilizarlo. Temo que si hacemos promesas que no están lo suficientemente justificadas se produzcan grandes decepciones no solo por parte de los gobiernos y la industria, sino también por parte de la sociedad. No me gustaría que por esta razón perdamos la gran oportunidad que tenemos delante.
Ignacio Cirac no disimula su entusiasmo ante el estado de desarrollo que ha alcanzado la computación cuántica actualmente, pero recalca que es esencial no generar falsas expectativas y seguir trabajando duro para resolver los muchos desafíos que esta disciplina ha colocado ante nosotros.
¿Cuál es tu cometido como director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica? ¿Cuál es tu área de investigación actualmente?
Mi área de trabajo desde un punto de vista general es la física cuántica, y lo que nos interesa es ver qué podemos construir utilizando las leyes de la física cuántica que no podemos conseguir con las leyes de la física clásica. Los ordenadores cuánticos son un ejemplo de dispositivo que cumple esta premisa, pero también se pueden hacer otras cosas.
También nos interesa conocer qué podemos hacer con un ordenador cuántico. No sabemos qué podemos hacer ni con los prototipos que tenemos actualmente, ni con los que construiremos en el futuro. Sabemos resolver algunos problemas, pero no hay tantos, y por esta razón estamos buscando otras aplicaciones de los ordenadores cuánticos. Y, por último, nuestro equipo también está haciendo un gran esfuerzo para buscar en la computación cuántica la inspiración que necesitamos para resolver problemas utilizando ordenadores clásicos.
El futuro de la computación cuántica, en manos de una cantera de jóvenes investigadores
Acabas de mencionar que la física cuántica os está permitiendo desarrollar otras innovaciones más allá de los ordenadores cuánticos. ¿En qué estáis trabajando que no sería posible utilizando las leyes de la física clásica?
Se puede utilizar la física cuántica para hacer criptografía cuántica, y también para establecer comunicaciones más eficientes que persiguen enviar más información con menos datos. Otro campo también muy interesante es la metrología, que nos permite tomar medidas muy precisas.
Puede emplearse, por ejemplo, para medir un campo magnético que está cerca de las células porque te permite identificar la actividad de algunos órganos. O puedes ver si hay petróleo sin tener que hacer un agujero midiendo las perturbaciones en el campo gravitacional. Incluso puede utilizarse la física cuántica para construir relojes más precisos que mejoren las prestaciones de nuestros sistemas GPS.
¿Qué opinas acerca de la cantera de jóvenes investigadores que están desarrollando su carrera en el ámbito de la computación cuántica? ¿Te ilusiona el potencial de los investigadores con los que contáis en el instituto y el impacto que posiblemente tendrán en el desarrollo de esta disciplina?
Sí, mucho. La computación cuántica está atrayendo mucho talento; un talento que es difícil encontrar en otros campos. Atrae a los mejores estudiantes, a la gente más original… Es un placer trabajar con los investigadores jóvenes, y les auguro un porvenir muy bueno siempre y cuando no tengamos el problema que he mencionado antes: que este campo no cumpla las expectativas, dejemos de ser importantes y todo este talento que estamos generando, y que será muy relevante a largo plazo, lo perdamos.
La Unión Europea, una potencia científica rezagada en el ámbito industrial
¿Cuáles son en tu opinión las grandes potencias actualmente en computación cuántica? ¿Cuál es el papel de China en esta disciplina? ¿Y qué rol tiene la Unión Europea? ¿Se ha quedado rezagada frente a China y Estados Unidos?
Desde un punto de vista científico, no. Europa y Estados Unidos han liderado la computación cuántica, y también todo lo relacionado con la física cuántica. Sin embargo, sí nos hemos quedado rezagados en la parte industrial implicada en la construcción de los ordenadores cuánticos. La principal razón es que en Europa no existe tanto emprendimiento. No hay tantas industrias tecnológicas como en Estados Unidos.
«Europa y Estados Unidos han liderado la computación cuántica, y también todo lo relacionado con la física cuántica»
En el caso de China el gobierno se dio cuenta muy pronto de que esto era algo estratégico para él e hizo unas inversiones inmensas en computación cuántica. Y esto le ha permitido hacer algunos avances importantes que son difíciles de alcanzar de otra forma, por ejemplo, en criptografía cuántica. Hay varios escenarios en los que China ha conseguido avanzar a base de recursos y fuerza bruta.
En Alemania, que es el país que me queda más cerca, hay una gran inversión en computación cuántica. También se ha tomado como un tema prioritario, y cada vez hay más empresas interesadas en trabajar en esta área y en ver si hay posibilidades de obtener beneficios, aunque sea a largo plazo. En cualquier caso, es un tema complejo debido a que son muchas las variables que propician la inversión en esta disciplina, como la competitividad, la productividad o la presencia de una regulación que la respalde, entre otros factores.
A modo de colofón y como resumen de nuestra conversación, ¿cuáles son en tu opinión los grandes retos que tiene por delante la computación cuántica? ¿Cómo será el futuro hacia el que nos encaminaremos cuando los primeros ordenadores cuánticos plenamente funcionales estén disponibles?
En mi opinión los desafíos a corto plazo son dos. Por un lado conseguir que los prototipos que tenemos sean mejores y más grandes, y, por otra parte, encontrar aplicaciones y problemas que podamos resolver con ellos.
Cuando tengamos un ordenador cuántico escalable, algo que probablemente sucederá dentro de muchos años, tendrá un gran impacto en la sociedad. Cuando a lo largo de la historia se han producido descubrimientos de esta envergadura su impacto ha sido impredecible. Auguro que va a suceder algo parecido.
Si repetimos esta entrevista dentro de veinte años y los ordenadores cuánticos están aquí, diremos «jamás habíamos pensado que servirían para esto y esto otro». Cuando en los años 40 empezamos a construir los primeros ordenadores clásicos, que eran gigantescos, nadie imaginó que llegaríamos a tener ordenadores personales, y fíjate ahora dónde estamos.
Estos son los países que también LA ESTÁN DISPUTANDO.
Si deseas saber mas de este tema, cliquea donde se encuentre escrito en “negrita”. Muchas gracias.
Con frecuencia los medios de comunicación recurrimos a la carrera espacial que iniciaron Estados Unidos y la Unión Soviética en los años 50 para ilustrar la pugna que mantienen actualmente en el ámbito de la computación cuánticaChina y Estados Unidos. No cabe duda de que estos dos son los países que más ruido están haciendo, pero en esta disciplina no son en absoluto los únicos que tienen algo que decir.
Liderar en computación cuántica, o, al menos, tener una base tecnológica sólida en esta disciplina, es importante porque es probable que a medio plazo marque la diferencia no solo en el ámbito de la investigación científica; también en telecomunicaciones, economía o en el muy sensible terreno de la criptografía, entre otras áreas críticas para muchos países.
El proyecto Quantum Spain que el Gobierno español va a poner en marcha persigue tener un ordenador cuántico de 20 cubits en 2025
España está a punto de inscribirse oficialmente en esta carrera. A finales del pasado mes de octubre el Gobiernoanunció la puesta en marchadel proyecto Quantum Spain, al que destinará 60 millones de euros durante los próximos tres años. Su propósito es tener preparado un ordenador cuántico de 20 cubits en 2025.
No cabe duda de que es una buena noticia. Al fin y al cabo, de alguna forma hay que empezar, pero esta relativamente comedida inversión nos coloca muy lejos de los países que ya están lanzados en una carrera que promete tener un impacto directo en la capacidad de ejercer influencia que tendrán las grandes potencias. Y en la que, por el momento, Estados Unidos y China van en cabeza.
Estados Unidos
IBM, Google, Intel y Honeywell son las empresas estadounidenses que ya tienen ordenadores cuánticos funcionales con una capacidad interesante como entorno de pruebas e investigación. Además, el Gobierno de este país, consciente de lo importante que es liderar en computación cuántica, está respaldando económicamente a algunos centros de investigación con el propósito de distanciarse de su más inmediato perseguidor, que no es otro que China. El procesador cuántico de 127 cúbits queha presentado IBMhace unos días es el último hito alcanzado por una empresa estadounidense en esta disciplina.
China
Este gigantesco país asiático ha alcanzado una velocidad de crucero envidiable en lo que se refiere al desarrollo de sus tecnologías cuánticas. En junio de 2020 consiguió transmitir un mensaje cifradoque no podía ser comprometido entre dos estaciones terrestres separadas por una distancia de 1120 km utilizando el entrelazamiento cuántico.
Lo último que ha logradoha sido subir el listón de la supremacía cuántica utilizando el procesador superconductor Zu Chongzhi, que tiene 66 cúbits. No se sabe cuánto dinero está invirtiendo el Gobierno chino en las tecnologías cuánticas, pero podemos estar seguros de que es una cifra que muy pocas grandes potencias pueden asumir.
Este extenso y relativamente poco poblado país también está decidido a no dejar escapar la oportunidad de colocarse en la punta de lanza de la computación cuántica. Y es que su Gobierno ha aprobado invertiraproximadamente un máximo de 2500 millones de euros para estimular el desarrollo de sus tecnologías cuánticas. Esta capacidad de inversión coloca a este país en la misma órbita en la que, como estamos a punto de ver, se sitúan los países europeos punteros, como Alemania o Francia.
Alemania
Este país centroeuropeo alberga una de las instituciones de investigación más prestigiosas en física y tecnologías cuánticas: el Instituto Max Planck de Óptica Cuánticaalojado en Garching, una localidad apacible situada a pocos kilómetros de Múnich. Su división teórica está liderada desde hace veinte años por el físico español Ignacio Cirac, uno de los padres fundacionales de la computación cuántica y al que tuvimosla ocasión de entrevistarhace pocos meses. Pero esto no es ni mucho menos todo. Este año el Gobierno alemánha decidido invertir2000 millones de euros para impulsar el desarrollo de esta disciplina y poner a punto dos nuevos ordenadores cuánticos.
Francia
El plan que ha elaborado el Gobierno de Emmanuel Macron persigue consolidar la posición de Francia en el pelotón de cabeza del desarrollo de las tecnologías cuánticas. De hecho, la cantidad que va a invertir este país le va a permitir pisar los talones a Alemania en esta área. Durante los próximos cinco años el estado dedicaráun total de 1000 millones de euros a esta partida, pero a esta cifra hay que sumar los 800 millones de euros que pondrán las empresas, los fondos europeos y los grupos de inversión. El montante final rozará la nada despreciable cifra de 1800 millones de euros.
IBM ha confirmado que en 2022 tendrá preparado Osprey, un procesador cuántico que aglutinará, si se cumplen sus previsiones, 433 cúbits. Y a finales de 2023 espera tener listo Cóndor, una bestia que integrará nada menos que 1121 cubits superconductores.
India
A principios de 2020 el ministro Nirmala Sitharaman anuncióque el Gobierno había decidido invertir nada menos que 1240 millones de euros durante los próximos cinco años para favorecer el desarrollo de un ecosistema sólido de tecnologías cuánticas. ¿Su propósito a medio plazo? Tener preparado un ordenador cuántico funcional de 50 cubits en 2025. No está pero que nada mal.
Reino Unido
La apuesta de este país para favorecer el desarrollo de la computación cuántica viene de lejos. De hecho, fue el primer estado europeo que puso en marcha una estrategia firme que perseguía contribuir al desarrollo de las tecnologías cuánticas, allá por el ya algo lejano 2013. Desde entonces el Gobierno británicoha invertidocerca de 1200 millones de euros en esta disciplina, y a medio plazo planea incrementar los recursos que destina a esta área hasta que alcancen el 2,4% de su producto interior bruto.
A pesar de la relativa opacidad que está mostrando este país en todo lo que tiene que ver con las tecnologías cuánticas tenemos pistas que reflejan con claridad su esfuerzo para evitar que China, y, sobre todo, los países occidentales con Estados Unidos a la cabeza, se impongan en esta área. En 2020 el Gobierno ruso decidió invertir700 millones de euros en el desarrollo de las tecnologías cuánticas, y también ha confirmado la creación de un Laboratorio Nacional de Cuántica que respaldará no solo a las universidades y las instituciones que se dedican a la investigación, sino también a las grandes corporaciones y las empresas emergentes.
Canadá
Este país norteamericano también quiere tener algo que decir en el ámbito de la computación cuántica. Su Gobierno ha aprobado invertircerca de 320 millones de euros durante los próximos siete años en el desarrollo de sus tecnologías cuánticas, un músculo económico que en esta área lo sitúa en el pelotón de los países que se toman la computación cuántica muy en serio. IBM ha formalizado una alianza con la Universidad de Sherbrooke, en Quebec, para afianzar su presencia en este extenso y relativamente poco poblado país.
Japón
Aunque en esta área está haciendo relativamente poco ruido, este país asiático ha establecido alianzas con algunas empresas estadounidenses, como IBM, para afianzar su posición en la carrera por la computación cuántica. El Gobierno japonés ha aprobado invertiraproximadamente 240 millones de euros durante la próxima década para impulsar la investigación y el desarrollo de las tecnologías cuánticas.
Corea del Sur
Si nos ceñimos a los recursos que está dedicando oficialmente al desarrollo de las tecnologías cuánticas este país asiático queda algo rezagado frente a los estados que hemos visto hasta ahora. Y es que el Gobierno surcoreano aprobó en 2019 invertiralgo más de 35 millones de euros en esta partida, en la que la computación cuántica convive con la computación clásica y las telecomunicaciones. En 2023 este país prevé tener listo un ordenador cuántico funcional de cinco cubits con una fiabilidad del 90%.
Imagen de portada: Gentileza de IBM
FUENTE RESPONSABLE: XATAKA
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