Ordinadors quàntics, una revolució inviable?

La computació quàntica torna a ser actualitat. Fa pocs dies es va fer públic que un ordinador quàntic havia pogut simular un forat de cuc per primera vegada, amb repercussions importants per a la física teòrica. Per una altra banda, fa poques setmanes IBM va anunciar el seu nou processador quàntic, que arriba als 433 bits quàntics o qbits, la unitat de processament d’aquesta mena de computadors. Google, Amazon i Microsoft són unes altres grans companyies que competeixen en aquesta àrea, juntament amb moltes empreses emergents, algunes de les quals nascudes a l’aixopluc dels instituts de tecnologia més avantguardistes del món. S’hi inverteixen grans quantitats de diners, tant de governs com de la iniciativa privada.

La tecnologia quàntica permet de fer coses impensables en els ordinadors tradicionals i promet avenços formidables en àrees com ara desenvolupament de nous medicaments, previsió meteorològica, logística, materials i qüestions financeres. No és pas una evolució més dels ordinadors actuals, sinó un nou paradigma, anomenat “supremacia quàntica”. Tanmateix, hi ha veus, especialment dins el món científic, que dubten que aquesta tecnologia pugui tenir una aplicació pràctica més enllà de casos molt concrets. Tot seguit analitzem aquesta tecnologia fascinant, els desafiaments que afronta i com es podria acabar fent servir.

Què és, un ordinador quàntic?

Entendre exactament com funciona una computadora quàntica és a l’abast de molt poca gent, atès que implica tenir coneixements avançats de física, aquells relacionats amb la mecànica quàntica. Per a la resta, bàsicament ens interessa entendre en què es diferencien dels ordinadors normals i quins són els seus avantatges i inconvenients. En primer lloc, cal dir que els ordinadors tradicionals són basats en la física quàntica: fan ús de semiconductors, transistors i microxips. Tot i això, no operen quànticament. Un ordinador com el que tenim a casa funciona amb bits. És la unitat bàsica d’informació, que pren la forma de 0 o 1, les combinacions de la qual defineixen la informació, el text que llegim i les imatges i vídeos que mirem.

D’una manera semblant, un ordinador quàntic empra bits quàntics, que també prenen la forma de 0 i 1. Tanmateix, i a diferència dels ordinadors convencionals, els bits quàntics també prenen combinacions d’aquests dos valors simultàniament. A més, quan s’ajunten uns quants bits quàntics es produeix un fenomen conegut com a entrellaçament quàntic, de manera que es relacionen entre si i podem predir un bit quàntic a partir d’un altre, encara que estiguin separats físicament, a l’altra banda del planeta. Tot plegat, i en termes pràctics, fa que els bits quàntics puguin contenir més informació que no pas els bits tradicionals i s’hi pugui operar més de pressa. El resultat és que un ordinador quàntic pot fer certs càlculs matemàtics ràpidament, mentre que una computadora tradicional arribaria a trigar milers d’anys a completar-los.

Aquest aspecte és clau, perquè un dels inconvenients de la informàtica tradicional és l’escalabilitat: per tractar problemes realment complexos cal usar com més va més bits, i arribem fàcilment a límits infranquejables. De fet, un bit quàntic el podem definir amb bits, però en necessitem molts de seguida. Si amb un ordinador de sobretaula podem simular entre 2 bits quàntics i 4, per simular 500 bits quàntics necessitaríem més bits que àtoms en tot l’univers. Aquest és el punt fort principal de la informàtica quàntica: tractar un volum d’informació inviable amb la computació tradicional. De fet, la idea dels ordinadors quàntics neix els anys vuitanta del segle passat, quan els físics, mentre s’enfrontaven amb problemes de física quàntica, van arribar a la conclusió que amb un ordinador tradicional no es podrien resoldre mai i que calia dissenyar una computadora que es comportés d’acord amb les lleis quàntiques. Tal com veurem, això té conseqüències en els usos que acabi tenint aquesta tecnologia. En qualsevol cas, els ordinadors quàntics no són pas nous. S’hi treballa de fa molt temps.

El 2019 s’arriba a una fita dins el camp: Google diu haver assolit la “supremacia quàntica”, el terme definit per dir que un ordinador quàntic és més ràpid que no un de tradicional. Tot seguit, va ser qüestionat per IBM, que deia que un ordinador convencional podria operar encara més de pressa. IBM és un competidor directe per a desenvolupar el processador quàntic amb més bits quàntics. Mentre Google en té un amb 53 bits quàntics, IBM n’acaba de presentar un amb 433, cosa que triplica de cop el nombre de la seva generació anterior, de 127. El nou desenvolupament estarà disponible en línia el 2023, al seu servei web, i esperen d’arribar als 1.000 bits quàntics. La companyia pensa superar els 4.000 a partir del 2025. Ara, no són els únics que ens permeten d’experimentar amb un ordinador quàntic al núvol: Amazon, Google i Microsoft tenen serveis semblants.

Hi ha molt d’interès en aquesta tecnologia, tant en l’àmbit privat com als estats. Per una banda, podria permetre de fer nous fàrmacs, millorar les previsions meteorològiques, optimitzar les rutes de repartiment logístic i fer models més bons d’inversió borsària. Per als estats, pot representar un element de seguretat fonamental: podria desxifrar fàcilment missatges encriptats. Cosa que també és una amenaça greu per la privacitat de la gent, sigui dit de passada.

L’avantatge dels ordinadors quàntics enfront dels tradicionals en aquesta mena d’anàlisi és que en aquestes àrees es fan servir models i fórmules matemàtiques amb uns quants components que s’hi van afegint a mesura que els volem perfeccionar o que tinguin més detall. Un component interacciona amb els altres, de manera que com més components hi ha, les interaccions creixen exponencialment. Mentre que en bits també n’hem d’augmentar exponencialment el nombre, amb els bits quàntics tan sols en calen uns quants més.

Els inconvenients dels ordinadors quàntics

Operar un ordinador quàntic no és gens senzill. De fet, cal pensar-hi com si fos un superordinador tradicional, un gran computador que ocupa una habitació sencera. Gairebé es pot dir amb tota certesa que un ordinador quàntic no substituirà mai un ordinador de sobretaula, si més no durant les dècades vinents. En primer lloc, un ordinador quàntic necessita computadores tradicionals per a funcionar. Cal executar algorismes que siguin capaços de llegir la informació dels bits quàntics. Per les seves característiques quàntiques, un bit quàntic té valors simultanis, i cal que un algoritme interpreti quin és el valor més probable. També hi ha errors i s’han de corregir. I això també vol dir més bits quàntics, que al seu torn també tenen errors. Tot plegat fa que alguns experts considerin que per obtenir resultats pràctics comercialment, més enllà de fer uns càlculs molt concrets i limitats, calen ordinadors quàntics entre deu mil bits quàntics i deu milions. I ací comencem a trobar barreres que poden acabar essent infranquejables.

La primera, i més important, té a veure amb com es generen els bits quàntics. Generar-los és relativament fàcil. Són partícules subatòmiques contingudes en xips que, per evitar que interaccionin amb l’energia i més partícules que els facin perdre les seves propietats quàntiques, s’han de tenir a mil·lèsimes de grau per sobre del zero absolut (-273 °C). És a dir, cal generar una temperatura més freda que no la que hi ha a l’espai exterior, cosa que requereix un consum energètic molt alt, amb la despesa econòmica associada, l’ús de maquinària complexa i un espai gros. Els experts en fan befa: un ordinador quàntic és principalment una supernevera. Amb uns pocs centenars de bits quàntics és factible, però tenir milers o milions de xips quàntics refrigerats a aquestes temperatures, amb l’espai que ocupen, no és escalable.

Per això, companyies com IBM ressalten la fita tecnològica de créixer en nombre de bits quàntics. Però no perquè els xips quàntics siguin millors, sinó per haver aconseguit d’ampliar les capacitats de refrigeració en un mateix lloc. En aquest sentit, els experts apunten que en els ordinadors quàntics no es pot aplicar la llei de Moore dels xips tradicionals, que diu que, aproximadament, la capacitat de càlcul es dobla cada dos anys, gràcies a la miniaturització. Amb un ordinador quàntic ja tractem amb partícules subatòmiques. Si volem augmentar la capacitat de càlcul, hem d’augmentar l’espai que ocupa la computadora, fonamentalment el sistema de refrigeració.

I malgrat treballar amb temperatures molt pròximes al zero absolut, les propietats quàntiques, la coherència, es mantenen durant desenes de microsegons, temps durant el qual podrem llegir el bit quàntic –per cert, llegir-lo també farà perdre la coherència. Hi ha una alternativa: fer servir “trampes de ions”. Amb aquesta tècnica, la coherència quàntica dels bits quàntics es pot mantenir uns quants minuts. En contrapartida, els càlculs són molt més lents i no és clar quina de les dues tècniques és més bona en termes de resultats.

Per solucionar la qüestió de la refrigeració, es recerca per emprar mètodes que funcionin a temperatura ambient, com ara emprar la llum de làsers (fotons) i els defectes en la xarxa cristal·lina dels diamants. Ara per ara no existeix cap ordinador quàntic d’aquestes característiques i no és demostrat que sigui possible en un futur.

Hi ha dues dificultats més. L’una són les interferències entre bits quàntics. Quan n’hi ha de junts, comencen a afectar-se entre si, cosa que posa en dubte l’escalabilitat del nombre de bits quàntics –que es puguin crear computadors quàntics amb desenes de milers o milions de bits quàntics. L’altra són els algorismes. Ara per ara, el desenvolupament dels ordinadors quàntics és centrat en la part tecnològica: com generar els bits quàntics, com refrigerar-los, com evitar interferències i errors… Però sense els algorismes que sàpiguen llegir-los, un computador quàntic no serveix de res. Ara com ara, n’hi ha molt pocs, la major part d’utilitat comercial nul·la. Cal fer molta més recerca en aquest àmbit.

Quins seran els usos principals de la computació quàntica?

Val a dir que les crítiques o els inconvenients exposats anteriorment provenen de l’àmbit científic i, en canvi, el desenvolupament de la computació quàntica és en mans dels enginyers. No seria la primera vegada que els segons són capaços de tirar per terra els arguments dels primers i assolir fites pensades impossibles fins aleshores. Un dels exemples més recents són els camions elèctrics, en què uns quants acadèmics de tot el món argumentaven que les bateries, per la seva poca densitat energètica, ocuparien massa espai dins els vehicles i no serien pràctics. Tanmateix, els enginyers han demostrat que les reticències científiques han estat errònies. En el cas dels ordinadors quàntics podria passar una cosa semblant. O no.

L’exemple que posen els crítics és el de la fusió nuclear. Una tecnologia que en teoria és possible, però que a la pràctica es demostra inviable, amb la famosa dita sorneguera que van passant els anys i la fusió nuclear és sempre quaranta anys endavant. És més, fins i tot si mai arriba a ser una realitat, és possible que no tingui sentit econòmic ni pràctic enfront de les renovables. Amb les computadores quàntiques podria passar igual. De fet, per a solucionar càlculs comuns, un computador tradicional continuarà essent millor i més econòmic que no un ordinador quàntic, que solament és apte per als problemes que un ordinador tradicional no pot afrontar.

Tot plegat ens porta a una altra equivalència: els acceleradors de partícules. Els ordinadors quàntics podrien esdevenir una eina molt potent (i cara) per als acadèmics. Per a resoldre les grans qüestions científiques, però amb aplicacions pràctiques escasses en l’àmbit comercial, més enllà de poder fer uns càlculs matemàtics molt concrets.

Els detractors apunten un altre aspecte a tenir en compte: l’econòmic. Segons aquestes veus, aquests darrers anys hauríem viscut en una bombolla de promoció de la computació quàntica per obtenir el finançament necessari per tirar endavant el desenvolupament tecnològic d’aquesta mena d’ordinadors que hauria creat expectatives molt allunyades de la realitat –desxifrar missatges com si res, guanyar diners en borsa, crear medicaments que eliminarien les malalties, predir la meteorologia i els efectes del canvi climàtic…

En qualsevol cas, es pot dir que els ordinadors quàntics són una eina útil per a la recerca científica. Tal com hem vist al començament, han estat capaços de simular per primera vegada un forat de cuc, cosa que relaciona la teoria de la relativitat general d’Einstein amb la mecànica quàntica. És el que es coneix com a ciència bàsica, necessària perquè augmenta el nostre coneixement, però sense una aplicació pràctica directa. La gran incògnita és si podrà passar d’ací a ser ciència aplicada i a tenir usos comercialment útils per a empreses i persones. En tot cas, una cosa és clara: sembla que haurem de renunciar a tenir un ordinador quàntic al despatx de casa.