«Con la computación cuántica queremos adelantar nuestro progreso como raza humana»

En el arranque del CES de 2019, IBM anunciaba el lanzamiento de la primera computadora cuántica de 20 qubits, conocida como Q System One, totalmente integrada y diseñada para uso comercial, todo un hito que representaba un avance importante en el largo camino que tiene por delante esta tecnología. Dos años más tarde, la compañía ha presentado planes mucho más ambiciosos.

En una hoja de ruta que conocimos hace unos meses, declaraba su intención de construir una computadora cuántica de más de 1.000 qubits (y entre 10 y 50 qubits lógicos) para finales de 2023 y en 2025 aspira a ser capaz de desarrollar entornos computación cuántica sin obstáculos, lo que permitirá activar una amplia gama de aplicaciones que en algunos casos, sobrepasarán la computación clásica.

Mientras todo eso pasa, en MCPRO hemos querido conocer de cerca cuáles son los principales obstáculos a los que la cuántica se enfrenta en estos momentos; los esfuerzos que se están haciendo en Europa para no quedar rezagados en este campo o cómo plantea la cuántica responder a desafíos tan importantes como el de la ciberseguridad.

Para ello hemos tenido la oportunidad de entrevistar a Zaira Nazario, Quantum Computing Theory and Applications Technical Lead en IBM, una de las profesionales que más saben sobre lo que se está moviendo en este campo en estos momentos y que nos avisa desde el primer momento: agarraos, porque vienen curvas.

[MCPRO] Hace unas semanas publicabais vuestra hoja de ruta hacia la computación cuántica completa. Hablabais de 2025 como el año en el que la cuántica será realmente palpable para las empresas. ¿Qué queda por hacer hasta entonces? ¿Cuáles son los principales retos que aún hay que superar?

[Zaira Nazario] No me centraría en 2025 en particular, sino que creemos que esta década va a ser decisiva para la computación cuántica. Vamos paso a paso. Los ordenadores cuánticos resuelven problemas ejecutando circuitos cuánticos. Al igual que en el caso de los circuitos computacionales clásicos, los circuitos cuánticos son el conjunto de operaciones que se le aplican a los qubits en el tiempo. Para poder beneficiar a la industria ofreciendo mejores soluciones a problemas de importancia práctica (al trabajar en conjunto con los ordenadores clásicos) versus lo que es posible solamente con ordenadores clásicos, necesitamos avances en tres ejes principales: necesitamos mejorar la calidad de circuitos que se ejecutan en los sistemas de computación cuántica, la capacidad de los sistemas para ejecutar circuitos, y la variedad de los circuitos: calidad, capacidad, y variedad. 

Para mejorar la calidad de los circuitos ejecutados necesitamos reducir los errores en las operaciones de los qubits según aumentamos el número de qubits en los sistemas. Eventualmente necesitaremos implementar códigos de corrección de errores cuánticos. El concepto es el mismo tras la corrección de errores en los ordenadores clásicos, solo que aquí necesitamos lidiar con las sutilezas de la mecánica cuántica. En nuestro roadmap, en el 2023 esperamos lanzar Cóndor con 1.121 qubits. Cóndor nos permitirá comenzar a implementar y probar ideas de corrección de errores en hardware, y aprender de su desempeño en presencia de los retos de ingeniería de estos sistemas ya más grandes. Los aprendizajes de esto serán importantísimos para escalar a tamaños capaces de resolver problemas a nivel industrial.

Lo que llamamos capacidad de los sistemas para ejecutar circuitos se refiere cuán rápido se pueden ejecutar. Esto requiere avances en software y en el flujo de ejecución a través de la nube. Adelantos teóricos que estamos desarrollando y empezamos ya a publicar brindarán a nuestros usuarios una mayor variedad de circuitos disponibles para ser usados en la solución de problemas de importancia industrial.

Finalmente, para que la computación cuántica sea palpable para las empresas necesitamos hacerla simple e intuitiva de usar, es decir, computación cuántica sin fricción. En IBM estamos trabajando para hacer esto posible. La meta es que no haga falta aprender un lenguaje de programación diferente, ni conocer los detalles de la computación cuántica o cómo construir circuitos, sino que, con solo una simple llamada a un API, un desarrollador de software pueda aplicar y beneficiarse del poder la computación cuántica sin siquiera darse cuenta de que está ahí trabajando tras bastidores, integrada con la computación clásica. Es entonces cuando la computación cuántica será ubicua, en la palma de nuestras manos y accesible desde cualquier app o cualquier parte.

[MCPRO] En España os habéis aliado con el CSIC para que las empresas y organismos de investigación puedan poner en marcha proyectos y realizar pruebas. ¿Cómo ha funcionado esta alianza hasta ahora?

[Zaira Nazario] Ha sido una muy buena alianza. CSIC se convirtió en un hub del IBM Quantum Network en el 2019, jugando un papel crucial en acelerar las colaboraciones con la industria, la enseñanza, el desarrollo de habilidades, y la investigación de problemas para los cuales la computación cuántica puede ser prometedora.

El hub del CSIC ahora cuenta con la Universidad Autónoma de Madrid como miembro. La Universidad está enfocada en explorar algoritmos cuánticos en los sistemas premium de IBM en vista a descubrir cómo pueden ser utilizados para el avance de a las comunidades científicas y empresariales en España.

[MCPRO] Gobiernos como el de Estados Unidos o China están invirtiendo mucho dinero y esfuerzo en desarrollar sus propias estrategias cuánticas nacionales. ¿Llegaremos de nuevo tarde en Europa?

[Zaira Nazario] Es cierto que los Estados Unidos y China están invirtiendo en tecnologías cuánticas, pero la Unión Europea ha estado invirtiendo también. Por ejemplo, el EU Quantum Technologies Flagship fue establecido para consolidar y expandir el liderazgo europeo en este campo e impulsar el desarrollo de una industria competitiva en tecnologías cuánticas en Europa.

Además, IBM ha estado colaborando con Europa para acelerar el progreso. Por ejemplo, este año inauguraremos la primera computadora cuántica superconductora comercial en la Unión Europea, construida por IBM en Stuttgart (Alemania), para el Instituto Fraunhofer. Ese es un avance grande que pone a Europa a la vanguardia de la computación cuántica.

«Todos los ordenadores cuánticos de IBM son accesibles a través de la nube»

[MCPRO] Toda la oferta de computación cuántica que está llegando a las empresas es a través de la nube, mediante una modalidad «as a service». ¿Es inviable que en el futuro algunas empresas puedan tener sus propios ordenadores cuánticos? En todo caso… ¿tendría sentido?

[Zaira Nazario] No es inviable. De hecho, estamos instalando ordenadores cuánticos en Alemania y Japón, y recientemente anunciamos que se instalará en la Clínica de Cleveland un IBM Quantum System One. La Clínica de Cleveland recibirá además la primera generación del sistema de 1,000+ qubits que se lanzará en unos años.

Ahora, igual que es más conveniente para la mayoría acceder a la computación clásica avanzada como servicios a través de la nube, lo vemos de la misma forma para la computación cuántica. Si puedes beneficiarte de su poder de manera tan fácil como con pocas líneas de código o incluso solo una línea con una llamada a un API, sin preocuparte por la operación, mantenimiento, y actualizaciones de un sistema, ¿por qué no querrías aprovechar eso? Al igual que no tiene sentido para la mayoría de los usuarios tener un centro de datos o redes de superordenadores en sus instalaciones y es mejor usar la nube, también lo vemos así para la computación cuántica.

Todos los ordenadores cuánticos de IBM son accesibles a través de la nube. Esto también tiene la ventaja de que permite a más usuarios y compañías aprovechar el potencial entero de la computación cuántica desde cualquier parte del mundo, solo con una conexión a internet, y experimentar y construir circuitos para sus problemas computacionales sin necesidad de tener un ordenador cuántico propio. Incluso los sistemas que estamos instalando en el Instituto Fraunhofer y la Universidad de Tokyo serán accesibles a través de la nube para los miembros de esos hubs, igual que próximamente con el sistema que estará en la Clínica de Cleveland.

Ese acceso como servicios a través de la nube es poderoso y es cómo vemos el consumo de la computación cuántica en el futuro. Además de que de esa manera no es el usuario quien tiene que preocuparse por programar, recopilar, e integrar los circuitos para usar en sus procesos de trabajo, sino que los servicios cuánticos en la nube se encargan de todo eso. Para el usuario es tan sencillo como llamar al servicio y recibir la solución.

[MCPRO] Hace un año hubo cierta controversia sobre si se había alcanzado o no la supremacía cuántica. ¿Se ha logrado? Y si no es así, ¿cuándo estima que podría alcanzarse?

[Zaira Nazario] La supremacía cuántica es un concepto que puede confundir al público por varias razones. Exacerba malentendidos sobre el estado de desarrollo de la tecnología, e implica que los ordenadores cuánticos van a reinar sobre los ordenadores clásicos y por lo tanto reemplazarlos, cuando la realidad es que trabajarán juntas, puesto que cada una tiene sus puntos fuertes.

Además, lo importante es poder resolver problemas útiles para la ciencia y los negocios eficientemente o económicamente o con mejor calidad y precisión que lo que es posible usando solamente ordenadores clásicos. Eso no se ha logrado aún y es nuestra meta. Y no se ha ejecutado ninguna tarea computacional en ordenadores cuánticos que los ordenadores clásicos no puedan resolver. 

No debemos olvidar que para que la computación cuántica tenga un impacto positivo en el mundo necesitamos seguir construyendo y haciendo accesibles a todos los ordenadores cuánticos que cada vez son más poderosos y que pueden implementar una amplia gama de circuitos de forma reproducible y fiable. Es el único camino para lograr soluciones prácticas usando ordenadores cuánticos.

«Aún no se ha ejecutado ninguna tarea computacional en ordenadores cuánticos que los ordenadores clásicos no puedan resolver. Pero es nuestra meta»

[MCPRO] Aunque la computación cuántica a gran escala supondrá grandes avances, también implicará grandes desafíos de ciberseguridad… si se realizara un uso malintencionado. ¿Cómo pueden las empresas protegerse contra estos nuevos retos de seguridad?

[Zaira Nazario] Antes de nada, las compañías deben empezar a entender los riesgos de la seguridad de sus datos y sus infraestructuras, porque muchas también usan criptografía para proteger sus infraestructuras, por ejemplo, para proveer confianza en las transacciones electrónicas y proteger la evidencia digital o en firmas digitales, y para autenticar el origen y verificar la integridad de actualizaciones de software críticas. Deben establecer marcos de identificación y mitigación de riesgos, y estándares nuevos para consumir criptografía. 

IBM ha desarrollado ya métodos criptográficos basados en celosía que son compatibles con los ordenadores cuánticos. De hecho, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los Estados Unidos (NIST) ha iniciado un proyecto para seleccionar y estandarizar métodos criptográficos que los ordenadores cuánticos no puedan romper, y tres de los cinco finalistas son de IBM. Esta criptografía basada en celosía, segura en la era de los ordenadores cuánticos, ha sido incorporada en los servidores de IBM.

Pero los algoritmos criptográficos resistentes a los ordenadores cuánticos son solo el principio. Actualmente las compañías no diseñan los sistemas de forma que la criptografía pueda actualizarse fácilmente. Eso debe cambiar y es lo que en IBM llamamos cripto-agilidad. Los protocolos y estándares de seguridad en las compañías deben también actualizarse para usar los algoritmos nuevos y eso puede llevar años dependiendo de la organización. Así que realmente hay que empezar a considerar estas cosas ya.

«El NIST ha iniciado un proyecto para seleccionar y estandarizar métodos criptográficos que los ordenadores cuánticos no puedan romper»

[MCPRO] ¿Cree que en el futuro la computación cuántica acabará siendo tan universal como es hoy en día el cloud… o creéis que se limitará a casos de uso muy específicos?

[Zaira Nazario] Son dos cosas diferentes. En términos de acceso, va a ser tan fácil de acceder y usar como lo es hoy la computación en la nube. De hecho, los ordenadores cuánticos están ya integrados en la nube. Desde el 2016, cuando IBM dispuso al mundo el primer sistema de computación cuántica, fue a través de la nube. Gracias a eso, cualquier persona en cualquier parte del mundo puede usar computación cuántica, solo hace falta una conexión a internet. Y continuaremos haciendo ese acceso y uso cada vez más fácil, hasta estar integrado con los ordenadores clásicos y con AI en la nube de manera fluida. Los usuarios podrán hacer uso de la computación cuántica desde su software o aplicaciones favoritas sin tener que aprender programación nueva. Así que en ese sentido será tan ubicua y fácil de usar como utilizar la nube porque ya están en ella. 

Ahora, sobre los problemas que la computación cuántica vaya resolver, ahí sí que serán casos más específicos. La computación cuántica no es algo que se vaya a utilizar para resolver todos los problemas. Es más bien para problemas concretos que son demasiado complicados y donde el tiempo o la memoria requeridos para resolverlos con ordenadores tradicionales crece exponencialmente junto con el tamaño del problema.

Por ejemplo, simulaciones de la naturaleza o del comportamiento de materiales, o algunos procesos particulares que pueden ayudar a mejorar el aprendizaje automático, o algunos problemas algebraicos particularmente complicados. Para la mayoría de las cosas se seguirá utilizando los ordenadores clásicos, y para problemas específicos los ordenadores cuánticos se unirán a los clásicos para servir como aceleradores, todo en la nube.

«La computación cuántica ayudará a simular mejor el comportamiento cuántico de la naturaleza»

[MCPRO] ¿Qué aplicaciones, desarrollos de software, etc. que se han puesto en marcha hasta ahora más os han sorprendido?

[Zaira Nazario] En términos de algoritmos, diría que los avances para ayudar en la solución de problemas que son intrínsecamente clásicos. Es natural pensar que la computación cuántica ayudará a simular mejor el comportamiento cuántico de la naturaleza. Además, puede traer ventajas para resolver problemas que son puramente clásicos. No es nuevo, pero en ese ámbito el algoritmo de Shor para mí es una maravilla.

Por la misma razón encuentro fascinante que se puedan usar circuitos cuánticos para mejorar aspectos como la clasificación binaria en métodos de aprendizaje automático. Y que haya circuitos que no son muy largos así que se pueden ejecutar en sistemas a no tan largo plazo y que tienen prueba formal de ventaja cuántica.

En términos de software, uno de mis resultados favoritos es el hecho de que desarrollando técnicas de compilación inteligentemente, se pueden mitigar errores en el sistema que uno pensaría que solo podrían mejorar con ajustes de hardware, como lo es la diafonía entre qubits. ¡Es fascinante que se pueda hacer algo así!

Y la facilidad con la que hoy día cualquiera puede utilizar los sistemas para investigar su utilidad en distintos problemas, desde cualquier parte del mundo sin ser un experto en computación cuántica gracias IBM Quantum Composer, IBM Quantum Lab, y Qiskit.

En hardware siempre me ha sorprendido el progreso tan rápido que hemos visto en los últimos 10 años. ¡El primer sistema de multi-qubits superconductores lo vimos apenas en el 2009 con solo dos qubits! Es sorprendente cómo hemos visto a los sistemas crecer, integrarse, dejar de ser solo experimentos distribuidos a través de un laboratorio entero y pasar a ser sistemas comerciales integrados como el IBM Quantum System One cuyo funcionamiento es impresionante de ver y cuyos sistemas ya están siendo distribuidos internacionalmente. El System One que se envió a Alemania se hizo en medio de la pandemia, trabajando a través de video conferencia, ¡eso es alucinante!

Y por supuesto, el crecimiento de los usuarios. Es increíble ver a tantos usuarios a través del mundo experimentando con los sistemas. Y no son solo científicos o ingenieros, también estudiantes desde secundaria hasta la universidad, laboratorios nacionales, y una diversidad de industrias. En la reunión de marzo de la Sociedad Americana de Física en el 2021 vimos 46 presentaciones de investigaciones hechas por la comunidad, no pertenecientes a IBM, usando sistemas de computación cuántica de IBM. ¡Es una maravilla ver cómo se está ayudando al progreso científico!

Realmente ha sido sorprendente lo mucho que ha crecido la comunidad de usuarios—sobre 300,000 usuarios hoy en día—y el interés que se ha generado. Ver a Qiskit creciendo hasta convertirse en el marco de desarrollo de software y programación de ordenadores cuánticos de código abierto más completo, avanzado, y usado en el mundo. Y ver cómo tantas compañías están explorando los beneficios de la computación cuántica para sus negocios, y cómo esa adopción en la industria ha crecido y sigue acelerando.

[MCPRO] Por último, una reflexión que algunos científicos están haciendo… ¿Actúa el universo como un ordenador cuántico?

[Zaira Nazario] El universo actúa como el universo. Con los ordenadores cuánticos tratamos de utilizar, controlar, y dirigir algunos comportamientos del universo para proveer utilidad en aplicaciones de interés y as incluyendo entender mejor cómo funciona el universo.

Y digo algunos comportamientos, porque varían dependiendo de la escala en la que miramos. Algunos son cuánticos, pero no olvidemos que muchos comportamientos del universo son clásicos. Finalmente, como expresó elocuentemente Philip W. Anderson, más es diferente.

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