Ignacio Cirac: Computación Cuántica II

29 Sep Ignacio Cirac: Computación Cuántica II

Entrevista a Ignacio Cirac, Doctor en Física. Director del Instituto Max Planck de óptica cuántica en Garching, Baviera. Uno de los máximos expertos mundiales en computación cuántica. Finalista 2005 del Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica. Asesor científico y profesor visitante permanente en el ICFO –Instituto de Ciencias Fotónicas– de la Universitat Politècnica de Catalunya.

Ramon Bori> ¿Y la superoposición y el entrelazamiento (entanglement)?

Ignacio Cirac> El entrelazamiento es la superposición cuando tienes dos sistemas. La superposición puede existir en un solo sistema. Puedes tener un átomo que se mueve para arriba, un átomo que se mueve para abajo. El principio de superposición dice que se pueden tener las dos posibilidades a la vez. No está definido si está hacia arriba o hacia abajo, sino que está haciendo las dos cosas a la vez.

Ahora bien, si tienes dos partículas, puedes tener que una se mueva para arriba, otra para abajo, una para abajo y otra para arriba, o la superposición de estas dos. Esto es el entrelazamiento.

Ramon Bori> Y por último, la descohrencia (decoherence).

Ignacio Cirac> Lo que dice es que además de tener tus iones que están haciendo la computación cuántica, tienes el resto de todo lo que hay. Una mosca que pasa y está continuamente interaccionando, y creando superposiciones —esto destruye la computación cuántica. De hecho, también da una explicación de por qué en el mundo macroscópico no vemos estas superposiciones, porqué todo está interaccionando con todo y al final estas propiedades de superpoción no aparecen de una manera tan clara como en el mundo microscópico.

A partir de la teoría, se van desarrollando las diferentes aproximaciones tecnológicas, ¿correcto?

Ignacio Cirac> Eso es, por un lado está lo que es la computación cuántica — los algoritmos– y la gente dice, «si consigues tener un sistema en el que puedas crear superposiciones y entrelazamientos de una manera controlada, entonces serás capaz de hacer cosas que no son posibles de hacer con los ordenadores [actuales].»

Ramon Bori> Pero estos sistemas, ¿qué son físicamente?

Ignacio Cirac> Hay varías posibilidades: iones, átomos neutros, superconductores, lo que se llama puntos cuánticos, fotones. Toda una serie de tecnologías distintas que se están desarrollando actualmente.

Es un problema muy complejo porque al final tienes que coger cinco, diez o veinte átomos y quitar todos los demás que haya ahí. Sólo esos cinco átomos. No dejar que interaccionen con nada, aislados perfectamente de tal forma que se comporten como tu quieras. Y eso es muy complicado.

Ramon Bori> Actualmente ya se han construido algunos ordenadores cuánticos

Ignacio Cirac> Prototipos, donde básicamente se ha demostrado que el principio funciona.

Ramon Bori> ¿De cuántos átomos?

Ignacio Cirac> Hay diversos modelos. Hay uno que tiene hasta doce, lo que pasa es que no son escalables. La gente dice que esto realmente no es un ordenador cuántico. Luego hay otros sistemas en los que hay acuerdo. Hace unas pocas semanas se llegó hasta seis.

Ramon Bori> ¡seis qubits!

Ignacio Cirac> seis qubits, todavía no pueden hacer nada útil. Esos seis qubits, todo lo que pueden hacer es lo que [hoy] hace un ordenador de sobremesa, pero lo puede hacer con sólo seis bits.

Estas tecnologías están empezando. Hoy se está básicamente investigando sobre los sistemas con los que se podrán construir [los ordenadores], algunos se van descartando por el camino, otros son muy prometedores.

Es una inversión muy a largo plazo. Se puede ver que si ahora se dominan seis qubits, a lo mejor dentro de cinco años se puede llegar a treinta, cuarenta o cincuenta [qubits] y dentro de veinte años a lo mejor serán mil o dos mil. Las cosas se ponen interesantes. Pero no se puede saber porque dependerá del desarrollo de la tecnología durante estos años.

Ramon Bori> Y el usuario medio, ¿cómo se relacionará con el ordenador cuántico?, ¿cómo es la interficie?

Ignacio Cirac> El principio y el final es el mismo. Tienes un mensaje –un mensaje secreto que quieres enviar–, lo codificas en ceros y unos, los cuales son enviados en superposiciones. Llegan al otro lado, se miden, estas medidas las transformas en ceros y unos, y tienes tu mensaje. O sea, se tiene que factorizar un número –transformar en ceros y unos — pero ahora en el proceso físico que te lleva del input al output pones la superposición.

Ramon Bori> ¿Vuestro grupo en qué líneas trabaja?

Ignacio Cirac> Yo soy teórico, lo que digo es como hacer las cosas pero no las hago en el laboratorio. Trabajamos con sistemas de física atómica y fotones.

Por un lado está la teoría general de algoritmos cuánticos en la cuál no tienes que hablar del hardware, sería como el software que vale para todos. En eso trabajamos.

También hacemos desarrollo del hardware, en los sistemas que he mencionado: desde iones atrapados, átomos, fotones, calidades resonantes y cosas de este estilo. Por ejemplo, en los sistemas físicos, en los iones atrapados, lo que vemos es la forma de controlar los iones para que se puedan manipular las superposiciones y hacer computaciones cuánticas con ellos. Cómo escalarlos, si lo puedes hacer con cinco iones cómo llegar a hacerlo con cinco mil. Cómo corregir errores, mientras estés haciendo computaciones es imposible aislar el sistema del exterior, se producirán errores pues tus qubits cambiarán sin que tú quieras, pero se pueden corregir.

Hacemos puertas lógicas entre iones, cómo hacerlas de una manera rápida y eficiente. En ese tipo de cosas trabajamos tanto con iones, átomos y fotones.

Otra cosa en la que trabajamos es en la teoría de la información cuántica. Hace treinta o cuarenta años se desarrolló toda una teoría clásica de la información que te dice como comprimir, como corregir información. Ahora se está desarrollando la teoría cuántica de la información que permitirá –si están disponibles las tecnologías cuánticas– hacer todo esto de una manera eficiente. Hay cosas que son una simple extensión de la teoría clásica, pero otras son completamente distintas porque las nuevas leyes de la naturaleza –estas leyes de la mecánica cuántica– te permiten hacer cosas que no están dentro del formalismo de Shannon.

También trabajamos con lo que se llaman simuladores cuánticos.

Ramon Bori> Simulador cuántico, ¿de qué se trata?

Ignacio Cirac> Un simulador cuántico es algo que está más cercano, que probablemente encuentre sus aplicaciones en un tiempo mucho más corto de lo que tienen otras aplicaciones más restringidas.

La regla es la siguiente: si tienes un material formado por partículas, átomos? y quieres estudiar las propiedades de este material, por ejemplo, ¿cómo hacer que sea superconductor?, pues tienes que ir a los modelos microscópicos y ver el funcionamiento de estos átomos. Entonces, coges un ordenador, le integras las propiedades de tus átomos y ves si conduce, no conduce, cómo conduce o cómo no conduce.

Nosotros también estamos trabajando en ver cómo construir un simulador cuántico que pueda simular los materiales de una manera eficiente. Así como en un ordenador cuántico para poder hacer que funcione bien y que factorice hacen falta un millón de qubits o algo así, con un simulador cuántico que tuviese del orden de cien –bajo control– se podrían ya simular materiales que actualmente no se pueden simular. Esto es por lo que hay gente que ha visto en los simuladores cuánticos la primera aplicación de la computación cuántica o de la información cuántica en general.

Ramon Bori> ¿Cómo está el tema a nivel de productos listos para salir a la calle?

Ignacio Cirac> Es un mundo que tiene muchos campos. Según el campo se va a tardar más o menos. El campo de la criptografía cuántica está aquí. Hay empresas que venden un sistema criptográfico.

Ramon Bori> ¿MagiQ?

Ignacio Cirac> Sí, MagicQ. También Id Quantique en Suiza.

Ahora existe un consorcio europeo para desarrollar a nivel comercial la criptografía cuántica. Faltan todavía muchos estudios y que sea mucho más económico. Ahora el número de bits por segundo es muy pequeño comparado con los métodos clásicos. Para competir, hay que desarrollar las tecnologías. En eso se está trabajando.

Ramon Bori> ¿La segunda aplicación más cerca del mercado es…?

Ignacio Cirac> Luego está la simulación cuántica. Toda la simulación cuántica es a medio plazo. En los próximos cinco-diez años ya existirán algunos simuladores cuánticos, con el tiempo espero que cada vez se puedan simular materiales más complicados. Esto no está tan lejos. Creo que la gente es bastante optimista.

Ramon Bori> ¿Y los esperados ordenadores cuánticos? ¿para cuándo?

Ignacio Cirac> Depende del desarrollo de la tecnología. La gente está ahora desarrollando tecnología, pero es muy difícil, muy difícil.

Si uno se pone a pensar, «ya lo han hecho con seis [qubits], ahora tienen que poner siete, ocho, nueve, poner más. Pero cuando lleguen a treinta, a lo mejor es muy difícil pasar a cien. No lo sabemos de antemano, por lo que hay que ser muy cautos. Sabemos que en los próximos diez años, no. Se tienen que desarrollar láseres mejores, y lleva su tiempo. Es muy difícil hacer previsiones.

Ramon Bori> ¿Ninguna previsión?

Ignacio Cirac> Tienes que tenerlo aislado del exterior, y cuantos más [qubits] pones, más difícil es aislarlo. Cuanto mayor es tu objeto, más difícil es aislarlo.

En los años 94-95, cuando salió el algoritmo de Shor y hubo el primer boom de la información cuántica, la gente dijo, «para conseguir un computador cuántico, hay que tenerlo realmente aislado del exterior, y si construyes algo muy grande va a ser imposible». Luego el mismo Shor descubrió la corrección de errores, y vio que aunque este acoplado al exterior, aunque haya algunas imperfecciones, se pueden corregir. Lo que vino a decir es que si el acoplamiento es suficientemente pequeño, si la probabilidad de error por paso de reloj es de 10-4, entones se puede escalar indefinidamente.

Lo que se está intentando hacer es llegar a estas probabilidades de error muy pequeñas, y se está consiguiendo. En algunos casos se ha llegado a 10-3, lo que es un buen augurio. Hay que trabajar más y ver cómo conseguir llegar a las condiciones para poder escalarlas.

El problema de la computación cuántica en este momento es escalarlo, hacerlo más grande, más grande, más grande. En principio no existe ningún problema fundamental, pero son problemas técnicos que habrá que solventar.