El 14 d'abril se celebra el Dia Mundial de la Quàntica. La proposta va sorgir en 2021 com una iniciativa impulsada per científics, educadors i divulgadors de diferents països. Amb el temps, la iniciativa ha rebut el suport de diverses organitzacions científiques i acadèmiques de tot el món, encara que no està lligada a una entitat concreta com ocorre amb alguns dies internacionals oficials.

Es va triar el 14 d'abril per la seua relació simbòlica amb la física quàntica. Esta data –segons la representen en el món anglosaxó, posant primer el número del mes i després el del dia– forma el 4.14, les tres primeres xifres arredonides de la constant de Planck.

Max Planck va ser el primer a proposar la cuantización d'una magnitud física, i la seua constant marca la frontera entre el món clàssic i el quàntic.

En les nostres vides

Més d'un segle després, i després d'innombrables avanços tecnològics derivats de la mecànica quàntica –com el transistor, el làser o la ressonància magnètica–, ens trobem davant una nova frontera: la computació quàntica. Les supermáquinas en desenrotllament prometen abordar problemes que la computació clàssica no pot resoldre eficientment.

En un context dominat per el hype i el FOMO, és habitual trobar afirmacions sobre el seu impacte immediat en àmbits com el desenrotllament de fàrmacs, nous materials o la lluita contra el canvi climàtic. Però en quin punt estem realment?

L'avantatge quàntic

L'anomenada avantatge quàntic es referix a la capacitat de resoldre problemes de forma més eficient que amb mètodes clàssics. Això no implica que un processador quàntic siga més ràpid en termes d'operacions per segon, sinó que pot requerir moltes menys operacions per a resoldre uns certs problemes. De fet, un supercomputador clàssic actual pot aconseguir l'orde del trilió (un milió de bilions) d'operacions per segon, mentres que els dispositius quàntics actuals operen entorn del milió per segon.

Fins ara, este avantatge s'ha demostrat experimentalment en problemes sense aplicacions pràctiques directes. Això ha desplaçat la pregunta de si és possible l'avantatge quàntic a si és possible aconseguir un avantatge quàntic útil.

Sabem fer alguna cosa amb un ordinador quàntic?

Un dels camps més prometedors és la simulació de sistemes físics quàntics. De fet, esta va ser la motivació original: si la naturalesa és quàntica, construïm màquines que seguisquen les seues mateixes regles. Així, la simulació de l'evolució de sistemes quàntics de molts cossos mitjançant tècniques com la descomposició de Trotter va ser una de les primeres propostes amb avantatge teòric demostrat. Això té implicacions en l'estudi de materials magnètics, matèria condensada o física de partícules.

Avantatges químics

En química quàntica, el potencial és especialment rellevant. Algorismes com la estimació de fase o la diagonalització quàntica de Krylov podrien permetre estudiar sistemes complexos com el FeMoCo, responsable de la fixació del nitrogen en la naturalesa. Comprendre este procés permetria replicar de manera eficient la producció d'amoníac, clau per a fertilitzants i energia, enfront dels mètodes industrials actuals, molt més costosos energèticament.

L'amenaça per a la seguretat en comunicació i la IA quàntica

Més enllà de la simulació, també existixen algorismes quàntics amb impacte en computació. El més conegut és el de Peter Shor, capaç de factoritzar números grans de manera eficient, el que suposa una amenaça per a la criptografia actual.

En l'àmbit del machine learning i la intel·ligència artificial, s'han proposat algorismes com els variacionales, si bé encara no és clar si oferixen avantatges reals. Propostes recents com la interferometría quàntica descodificada (DQI per les seues sigles en anglés) suggerixen possibles avantatges en problemes d'optimització molt rellevants per a la indústria, però encara estan lluny d'aplicacions pràctiques.

Els errors i la pressió dels algorismes clàssics

Llavors, per què no tenim ja avantatges quàntics útils? Els dispositius actuals, en l'orde de 100 cúbits (els equivalents quàntics dels bits clàssics), presenten errors freqüents –aproximadament un cada mil operacions–, la qual cosa restringix la longitud dels algorismes que poden executar-se de manera fiable. Això ha permés que moltes de les demostracions quàntiques siguen ràpidament replicades mitjançant tècniques clàssiques avançades, com xarxes de tensors o mètodes de propagació d'operadors, que continuen millorant i exercint pressió sobre el camp quàntic.

Dubtes raonables

Diversos estudis han posat en dubte algunes propostes d'avantatge quàntic en machine learning. En uns certs casos, si els algorismes poden entrenar-se eficientment, també poden ser simulats clàssicament. En uns altres, els problemes que tracten de resoldre són massa simples perquè hi haja avantatge quàntic. Les altres proposades com DQI no tenen encara aplicacions pràctiques directes, ara com ara, ja que aborden problemes que requerixen una certa estructura per a ser eficients.

La pressió dels mètodes clàssics i l'estudi dels límits de les propostes quàntiques són fonamentals per a entendre per a què pot servir un ordinador quàntic.

Corregint errors a canvi de temps i grandària

La solució a llarg termini passa per la correcció quàntica d'errors. Esta tècnica consistix a construir cúbits lògics fiables a partir de molts cúbits físics sorollosos. En principi, permet reduir els errors de manera arbitrària, però a costa d'un gran augment en els recursos necessaris. Les estimacions més acceptades (ací només tinc en compte articles que han passat revisió per parells) dels recursos necessaris per a trencar una clau criptogràfica utilitzada en la vida real (RSA-2048) parlen de requerir 20 milions de cúbits sorollosos i una execució de 8 hores. Això per a reduir la taxa de fallada a un error per cada bilió d'operacions.

Encara que hi ha recents propostes que suggerixen reduir estos requisits a desenes o centenars de milers de cúbits, assumixen avanços tecnològics que encara no s'han aconseguit i que no són trivials. Pensem que s'han tardat més de 20 anys en demostrar experimentalment les propostes originals d'Alexei Kitaev del codi de superfície. Encara que el progrés és ràpid, es requerix temps per a avançar. Especialment quan tenim processadors de 100 cúbits i necessitem desenes o centenars de milers d'estos.

Lluitant contra la naturalesa

El missatge, no obstant això, no ha de ser de pessimisme, sinó de cautela. En un entorn dominat per el hype, és responsabilitat de la comunitat científica ser rigorosa i honesta sobre l'estat real de la tecnologia. La computació quàntica té un potencial enorme, però el seu impacte transformador requerix encara d'avanços fonamentals i ciència bàsica. És la nostra responsabilitat determinar de manera rigorosa per a quines tasques pot ser útil un ordinador quàntic.

Mentres visitava la Universitat de Cambridge vaig tindre el plaer d'assistir a una xarrada impartida pel professor Mikhail Lukin, líder mundial en computació quàntica basada en àtoms freds. En ella, Lukin va remarcar que la correcció quàntica d'errors tracta de construir estats quàntics a escales mai aconseguides. En certa manera, es tracta de lluitar contra la pròpia naturalesa, que tendix a confinar els efectes quàntics a escales molt xicotetes. Crec que aconseguirem desafiar a la constant de Planck realitzant estes màquines quàntiques, però sabrem què fer amb elles?

El Dia mundial de la Quàntica és un gran moment per a celebrar tot allò que es va aconseguir en la denominada primera revolució quàntica en el segle XX. I també per a abordar amb optimisme esta nova era en la qual estem immersos: la segona revolució quàntica.

Josu Etxezarreta Martinez, Investigador en computació quàntica, Universitat de Navarra

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.

*Ho pots llegir perqué som Creative Commons.