Quantum Supremacy: How the Quantum Computer Revolution Will Change Everything (2023) de Michio Kaku hace que la comprensión de los hechos y la teoría detrás de los ordenadores cuánticos sea accesible y fácil de entender para todos. Traza la historia del ordenador moderno y plantea un futuro en el que la computación cuántica asumirá los desafíos de la humanidad que son irresolubles incluso con las supercomputadoras modernas más poderosas.
Este es un buen libro para explicar todos los problemas a los que se enfrenta la raza humana, desde la energía hasta las enfermedades y el clima, que podrían resolverse con los futuros ordenadores cuánticos. Esto se hace en términos que el profano pueda entender plenamente.
Principales ideas de Quantum Supremacy:
- Adiós al silicio
- Dos mil años de computadoras
- El bien y el mal en progreso
- Cuando el cáncer pierde
- Nuestro planeta y más allá
Adiós al silicio
En 2019, Google creó un ordenador cuántico llamada Sycamore. Podría resolver, en sólo 200 segundos, un complejo problema matemático que a nuestra supercomputadora más rápida actual le llevaría 10.000 años resolver. En la computación digital, la unidad básica de información es un bit, mientras que en la computación cuántica es un qubit. Sycamore funciona con 53 qubits y, en ese momento, eso la convirtió en la computadora más poderosa del mundo.
Pero sólo dos años después, el Instituto de Innovación Cuántica de China afirmó que su ordenadores cuánticos era 100 billones de veces más rápidos que los supercomputadores. Funcionó con 113 qubits.
El 16 de noviembre de ese mismo año se reveló el IBM Eagle que los superó a ambos con 127 qubits. Un año después, IBM lanzó Osprey con 433 qubits.
Cuando un ordenador cuántico puede superar a una computadora digital en una tarea específica, se conoce como supremacía cuántica. Es evidente que ya se ha llegado a este punto. Es más, afirma Kaku, apenas hemos arañado la superficie de lo que es posible.
Hay varias formas diferentes en que funciona la computación cuántica. La mayoría de los inventores utilizan átomos entrelazados, pero unos pocos investigadores han encontrado una manera de enviar información a través de haces de luz utilizando una configuración torpe basada en espejos. La carrera por ser el primero en optimizar esta tecnología está en marcha. Pero todavía faltan muchos años para que una ordenador cuántico funcione y pueda resolver problemas del mundo real en campos que van desde la medicina hasta el combustible y la ciberseguridad.
Aun así, la era del silicio parece estar llegando a su fin. La Ley de Moore, postulada por primera vez en 1965 (ver ‘La guerra de los chips’ de Chris Miller), sugiere que el número de transistores que se pueden incorporar a un microchip se duplica cada 18 meses. Efectivamente, eso significa que la potencia de las computadoras también se duplica cada 18 meses. Pero si seguimos utilizando principalmente silicio, esta ley dejará de cumplirse en un futuro muy próximo.
Los ordenadores actuales están alcanzando su capacidad para poder resolver problemas a gran escala, o al menos para poder resolverlos lo suficientemente rápido como para que sean útiles. Pero los ordenadores cuánticos pueden llevarnos a una nueva era con sus velocidades increíblemente rápidas y su capacidad de analizar simultáneamente múltiples caminos y problemas para crear la mejor solución.
Entonces, ¿qué es lo que hace que los ordenadores cuánticos sean tan poderosos? Dos factores clave contribuyen a este poder:
- La primera es la superposición, o la capacidad de un átomo de existir en múltiples estados al mismo tiempo. Así es como los ordenadores cuánticos pueden resolver problemas tan rápidamente: analizando todos los caminos al mismo tiempo para determinar el camino de menor acción.
- El segundo factor se conoce como entrelazamiento. Esto es cuando dos átomos establecen interacción entre sí, comparten información y mantienen esa conexión incluso cuando están separados a gran distancia.
Ahora, probablemente ya te estés preguntando: ¿Cómo consigo uno de estos ordenadores cuánticos? ¿Por qué no toda la tecnología se basa ya en la computación cuántica? El problema es que hay un desafío principal y tiene que ver con algo llamado coherencia.
Para que los ordenadores cuánticos funcionen, un sistema debe ser completamente estable. Los átomos son frágiles y la menor perturbación los perturba. Por lo tanto, los ordenadores cuánticos tal como existen actualmente deben estar enmarcadas en sistemas que las mantengan a temperaturas de cero absoluto.
Pero hay esperanza. La madre naturaleza logra coherencia a temperaturas regulares en un pequeño proceso llamado fotosíntesis. Por eso los científicos están estudiando cómo se logra la coherencia en la naturaleza con la esperanza de encontrar una manera de recrear el proceso en una computadora.
Pero antes de hablar de las aplicaciones prácticas de los ordenadores cuánticos, es importante ver cómo hemos llegado hasta aquí.
Dos mil años de computación
En 1901, frente a la costa de una isla griega llamada Antikythera, los investigadores descubrieron los restos de un barco comercial del siglo I. En ese barco, encontraron artefactos romanos que, especulan, fueron enviados como regalo a Julio César.
Entre esos artefactos había un extraño trozo de bronce. Claramente fue creado por el hombre, pero imposible de identificar en el momento de su descubrimiento. De hecho, esta pieza de metal mantuvo confundidos a los investigadores durante décadas. En la década de 1970, se utilizaron imágenes de rayos X para investigar el artefacto, pero no fue hasta que se publicaron las tomografías computarizadas en 2006 que los investigadores comenzaron a reconocer las implicaciones del dispositivo.
Lo que ahora se conoce como el Mecanismo de Antikythera proporcionó una simulación altamente compleja del universo tal como se conocía en ese momento. El dispositivo podría hacer predicciones sobre eventos como eclipses e incluso podría calibrarse anticipando cambios de velocidad debidos a la órbita elíptica de la Tierra.
La simulación es el objetivo de la computación cuántica. Cuando podamos simular el mundo que nos rodea hasta el nivel cuántico, podremos comenzar a analizar algunos de los muchos problemas que nos han acosado desde el principio de los tiempos.
Ningún dispositivo se acercó al avance técnico del dispositivo de Antikythera (y mucho menos construido sobre él) hasta el siglo XIX. Fue entonces cuando Charles Babbage inventó la primera computadora digital. Ada Lovelace, hija de Lord Byron, descubrió cómo alimentar la información de la computadora para que realizara complicadas tareas matemáticas que eran esenciales en industrias como la construcción o la navegación. Ella fue esencialmente la primera programadora.
En 1900, las cosas iban ganando ritmo, Max Planck desafió la física newtoniana y creó lo que ahora se llama la Constante de Planck, que representa el tamaño de la energía cuántica. Esta constante se convertiría en la base de la mecánica cuántica y la teoría cuántica.
Años más tarde, en 1926, Erwin Schrödinger se basó en esto creando una ecuación de onda utilizando la constante de Planck. En lugar de ver a los electrones como partículas, Schrödinger sugirió que existen como ondas. En otras palabras, un electrón existe en muchos lugares a la vez hasta el momento en que se mide, que es cuando la onda colapsaría y se convertiría en una partícula.
Para ilustrar esta idea se creó la analogía del gato de Schrödinger. Mientras el gato está en la caja, se puede considerar que está muerto, vivo y en todos los estados intermedios, hasta que sea observado. En ese punto, todos los estados del gato colapsan en el estado mensurable.
Diez años más tarde, en 1936, Alan Turing describió lo que con el tiempo se convertiría en la máquina de Turing: la base de toda la informática moderna. Su máquina ayudó a descifrar los códigos previamente imposibles de descifrar utilizados por los nazis durante la Segunda Guerra Mundial. Como resultado, la guerra se acortó dos años y se estima que se salvaron 14 millones de vidas.
En 1948, Richard Feynman finalizó su formulación integral de camino. Antes de eso, los científicos habían observado en la fotosíntesis que las partículas cuánticas tienden a seguir el camino de menor acción. Pero ¿cómo “supieron” las partículas cuál era ese camino? Feynman respondió a esa pregunta. Postuló que debido a que los electrones existen en ondas, pueden experimentar todos los caminos a la vez.
Esta idea llevó a Feynman a crear su formulación integral de camino. Isaac Newton había inventado el cálculo para resolver problemas que implicaban movimiento. La formulación de la integral de ruta resolvió esos mismos problemas de una manera mucho más simple y allanó el camino para aún más descubrimientos cuánticos.
Si la descripción de la formulación de la integral de ruta le suena familiar, probablemente sea porque ya hemos hablado de cómo los ordenadores cuánticos pueden experimentar y analizar todas las posibilidades simultáneamente antes de elegir la mejor solución. Todo lo que crearon estos científicos e inventores del pasado ha llevado al desarrollo de lo que hoy conocemos como ciencia cuántica.
Es necesario agregar un nombre más a esta estimada lista, el de Hugh Everett. Durante mucho tiempo, los científicos discutieron sobre la teoría ondulatoria y la idea de que una onda colapsaba en una sola realidad cuando se medía. Este fue un gran problema que superar hasta que Everett propuso que tal vez la ola en realidad no colapsara; tal vez todas las versiones de la realidad vivida por la ola existan simultáneamente.
Entonces, si disfrutas del multiverso de los cómics o cualquier otra ficción que explore dimensiones paralelas, Everett es el hombre al que debes agradecer.
Bien, si bien la teoría de los muchos mundos constituye un buen entretenimiento, es un tema serio para los físicos cuánticos y continúa explorándose hoy en día. Así que volvamos a comprender cuál podría ser el valor de todos estos desarrollos cuánticos en el futuro cercano.
El bien y el mal en progreso
En 1918, Fritz Haber ganó el Premio Nobel de Química por inventar un proceso que utilizaba calor y presión intensos para convertir el nitrógeno en fertilizante de nitrato. Como resultado, comenzó una revolución verde, que produjo suficientes alimentos para que la especie humana creciera hasta alcanzar los 8 mil millones de habitantes que tiene hoy.
Pero a Fritz Haber también se le conoce por otro nombre: el padre de la guerra química. Sus inventos fueron responsables de millones de muertes durante la Primera Guerra Mundial, la Revolución Rusa y el Holocausto.
Hoy en día, los científicos cuánticos están cuestionando ese proceso crudo y consumidor de recursos de fijación de nitrógeno inventado por primera vez por Haber. Gracias a dos avances, ahora entendemos mejor los componentes básicos de la vida.
En 1952, Stanley Miller creó un experimento que utilizó muchos de los elementos que se cree que existieron en la Tierra prehistórica, junto con una descarga eléctrica, y fue capaz de producir aminoácidos de forma espontánea. Ahora sabemos, a través de simulaciones que utilizan los elementos que se encuentran en las nubes de gas en el espacio, que es probable que existan aminoácidos en el espacio y que hayan sido traídos aquí en forma de polvo de meteorito.
El segundo avance fue el de Francis Crick y James Watson. En su libro de 1944 titulado ¿Qué es la vida? Schrödinger describió las características de una molécula desconocida que explicaría el desarrollo de la vida tal como la conocemos. Crick y Watson llevaron su idea más allá e identificaron la forma de doble hélice de lo que ahora conocemos como ADN.
Gracias a todos estos inventos y descubrimientos, entendemos las piezas y procesos necesarios para producir la energía que sustenta la vida. Pero aún quedan muchos obstáculos por superar. Al igual que el crudo proceso de fijación de nitrógeno de Haber, muchos de nuestros intentos de generar energía limpia en realidad se obtienen a través de medios insostenibles, y nuestros esfuerzos de descubrimiento todavía se realizan en gran medida mediante prueba y error.
Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de poder resolver problemas como la fijación de nitrógeno y el aprovechamiento del poder de la luz solar. Con suerte, no pasará mucho tiempo antes de que la computación cuántica pueda generar una segunda revolución verde.
Cuando el cáncer pierde
El 23 de diciembre de 1971, el presidente Richard Nixon promulgó la Ley Nacional del Cáncer, declarando la guerra al cáncer: el cáncer ganó. El problema del cáncer es que proviene de demasiadas variables diferentes como para identificarlo y detenerlo fácilmente.
El cáncer no es un invasor extraño; es creado por nuestras propias células sanas. Una vez que llegamos a la edad adulta, algunas células están programadas para morir mientras otras se dividen. En el caso del cáncer, las células sanas se olvidan de morir y, en cambio, se reproducen a un ritmo alarmante.
Hay muchas enfermedades causadas por nuestros cuerpos que se dañan a sí mismos en lugar de a invasores extraños. Tomemos como ejemplo el COVID-19. Las muertes asociadas con el COVID-19 no se debieron a los síntomas del virus, sino más bien a la tormenta de citocinas creada por el sistema inmunológico que se descarriló.
Otro ejemplo de cómo el cuerpo se vuelve contra sí mismo son las enfermedades autoinmunes que ocurren cuando el cuerpo recibe información errónea sobre una partícula que de otro modo sería saludable y comienza a atacarse a sí mismo.
El Alzheimer y otros trastornos neurológicos pueden ser el resultado de algo llamado priones, que son proteínas mal plegadas. Nadie sabe por qué una proteína se pliega mal, pero cuando lo hace, puede enviar esa información a otras proteínas, propagando el trastorno.
Los avances tecnológicos han mejorado nuestra calidad y duración de vida. Desde el saneamiento hasta los antibióticos y las vacunas y una mejor nutrición, hemos llevado a la raza humana de una esperanza de vida de aproximadamente 30 años a 70 años y también hemos mejorado la calidad general de esa esperanza de vida. Pero todo esto lo hemos hecho en gran medida mediante prueba y error. Cuando se trata de cosas como el cáncer y el Alzheimer, donde hay tantos factores en juego que tal vez nunca podamos encontrar respuestas por nuestra cuenta, los ordenadores cuánticos pueden salvarnos.
Nuestro planeta y más allá
Cambiemos ahora nuestro enfoque hacia el cambio climático y el espacio.
La Tierra se está calentando como resultado del comportamiento humano. Este calentamiento está creando una variedad de problemas. Uno de ellos es la liberación de metano, un gas de efecto invernadero, debido al derretimiento de los casquetes polares. A medida que se libera, contribuye a un calentamiento global aún mayor.
Otra consecuencia del cambio climático es que el vórtice polar, que siempre ha sido bastante estable, se está volviendo inestable. Esta zona de aire frío y baja presión en los polos siempre está ahí pero es más fuerte en invierno. En las últimas décadas, se ha ido expandiendo, empujando un clima más frío e impredecible hacia el sur.
Las consecuencias del cambio climático varían desde levemente inconvenientes hasta catastróficas, y el hecho es que ya no podemos prevenir los desastres, sólo podemos mitigarlos.
Desafortunadamente, también estamos llegando a un límite en lo que las computadoras digitales pueden hacer en cuanto a predecir patrones climáticos y evaluar el cambio climático. Los ordenadores cuánticos, por otro lado, en teoría pueden proporcionar informes meteorológicos virtuales que podrían alterar el futuro de la humanidad. Su capacidad para evaluar simultáneamente muchas trayectorias significa que pueden generar más rápidamente predicciones precisas sobre situaciones meteorológicas a corto y largo plazo.
Más allá de nuestro clima, existe otra aplicación importante de las ordenadores cuánticos: la capacidad de comprender las estrellas.
En 1859, la mayor erupción solar de la historia golpeó la Tierra. El resultado fue una aurora boreal intensamente hermosa, pero también provocó que se incendiaran cables de telégrafo.
Hoy en día, si esa misma tormenta llegara a ocurrir, potencialmente nos haría retroceder 150 años, no sólo interrumpiendo nuestras comunicaciones por satélite y radio, sino también destruyendo por completo las redes eléctricas.
El gran problema es que no entendemos cómo funcionan las estrellas o qué causa las diferentes intensidades de las tormentas solares, por lo que no tenemos medios para predecirlas y prepararnos para ellas. Con su capacidad para simular el universo, los ordenadores cuánticos podrían ayudarnos a comprender mejor nuestro sol y no dejarnos tomar por sorpresa por erupciones solares inesperadas.
Estas computadoras también pueden ayudarnos a reprimir el poder del sol. El estado actual de los reactores de fusión avanza. En diciembre de 2022 se logró una reacción de fusión mayor que la cantidad de energía necesaria para crear esa reacción.
Pero todavía estamos al menos a varias décadas de comercializar la fusión y alimentar nuestro mundo con ella. El problema es que tenemos que resolver todo esto mediante prueba y error. Y el gasto que implica fracasar es prohibitivo. Los ordenadores cuánticos pueden ayudarnos a encontrar más rápidamente el mejor camino a seguir, simulando todas las posibilidades y mostrándonos la correcta.
Cuando podamos comprender mejor nuestro planeta y nuestro universo, no sólo podremos mejorar la vida y la longevidad de nuestro planeta, sino que podremos convertirnos verdaderamente en una especie interplanetaria.
Conclusiones de Quantum Supremacy:
Los ordenadores cuánticos existen y están mejorando rápidamente. No sólo hay ordenadores en funcionamiento que descifran códigos y realizan ecuaciones complejas a velocidades inauditas, sino que también existen diferentes formas de ellas. Los ordenadores cuánticos son la progresión natural de una serie corta y rápida de descubrimientos e invenciones de personas como Erwin Schrodinger, Richard Feynman y Hugh Everett. Las posibilidades de cosas como una segunda revolución verde y una cura para el cáncer dependen de nuestra capacidad para llevar los ordenadores cuánticos al siguiente nivel.