Si algún día se construye un ordenador cuántico plenamente funcional será gracias en parte a este científico español: hablamos con Ignacio Cirac
Investigación

Si algún día se construye un ordenador cuántico plenamente funcional será gracias en parte a este científico español: hablamos con Ignacio Cirac

Es imposible no sentirse impresionado cuando tienes delante el currículo de Ignacio Cirac. Este manresano se ha erigido como uno de los padres fundacionales de la computación 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 Cuántica alojado 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?

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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.

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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 prestigiosísima 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.
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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 repositorio en 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 entrelazamiento es irreversible, y también cómo se puede identificar la presencia de entrelazamiento en sistemas gaussianos.

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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 indaguéis 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.

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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 aseguraban haber alcanzado un hito muy 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, y tras la publicación en Nature del 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.

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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.
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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.

Imagen de portada | Andreas Heddergott - TUM

Imagen interior (conferencia de Ignacio Cirac) | Diana Martínez Llaser -     Exactas UBA

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