En 2017, cuando un equipo de científicos chinos emitió fotones entrelazados desde el satélite Micius para realizar la primera videollamada cuántica segura del mundo, los expertos aseguraron que China había tomado la delantera en las comunicaciones cuánticas. Nuevas investigaciones sugieren que ese liderazgo se ha extendido también a la computación cuántica.
En tres artículos publicados a finales del mes pasado en el repositorio arXiv, físicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) anunciaron avances fundamentales tanto en computación como en comunicaciones cuánticas. En uno de los estudios, los investigadores usaron unos semiconductores a escala nanométrica denominados puntos cuánticos para transmitir fotones de forma fiable (algo que es esencial para cualquier red cuántica) a lo largo de 300 kilómetros de fibra, una distancia 100 veces superior a la de los intentos anteriores.
En otra investigación, los científicos mejoraron su ordenador cuántico fotónico, al pasar de 76 fotones detectados a 113. Eso supone una mejora espectacular de su «ventaja cuántica», es decir, de su mayor velocidad con respecto a los ordenadores clásicos al acometer una tarea específica. El tercer artículo presentó a Zuchongzhi, un procesador hecho de 66 qubits superconductores, y resolvió un problema con 56 de ellos, una cifra similar a los 53 qubits que usó el ordenador cuántico Sycamore de Google cuando estableció un récord de rendimiento en 2019.
«Es algo emocionante. No sabía que iban a sacar no uno, sino dos de estos [resultados de computación cuántica] en la misma semana», se admira Scott Aaronson, teórico de la computación de la Universidad de Texas en Austin. «Es una auténtica locura.»
Los tres logros son hitos a nivel mundial, pero Zuchongzhi ha impresionado especialmente a los científicos porque supone la primera confirmación del resultado histórico que obtuvo Google en 2019. «Me alegra mucho que alguien haya reproducido el experimento y haya demostrado que funciona bien», afirma John Martinis, antiguo investigador de Google que dirigió el proyecto para construir Sycamore. «Es realmente bueno para el campo que los qubits superconductores constituyan una plataforma estable donde poder construir esas máquinas.»
Los ordenadores cuánticos y las comunicaciones cuánticas son tecnologías incipientes y es probable que ninguna de estas investigaciones tenga aplicaciones prácticas hasta dentro de bastantes años. Sin embargo, hay mucho en juego desde el punto de vista geopolítico: una red cuántica completa podría proporcionar canales de comunicación inviolables, y un potente ordenador cuántico, en teoría, sería capaz de romper gran parte de la encriptación que se usa hoy en día para proteger los correos electrónicos y las transacciones por Internet.
Las tensiones entre Estados Unidos y China están en su punto más álgido en décadas, con ambos países enfrentados por el comercio, los derechos humanos, las sospechas de espionaje, la COVID-19 y Taiwán. Tras la demostración del satélite Micius por parte de China en 2017, los políticos estadounidenses respondieron destinando cientos de millones de dólares a la investigación en información cuántica a través de la Iniciativa Nacional Cuántica. Eso supuso un inquietante déjà vu. Unos 60 años antes, EE.UU. decidió financiar otra iniciativa de gran envergadura —la exploración espacial— empujado por la incertidumbre que había generado el pequeño satélite soviético Sputnik.
Pero esta lucha por la ventaja cuántica no tiene por qué ser un reflejo exacto de la carrera espacial. Zuoyue Wang, historiador de la ciencia en la Universidad Politécnica del Estado de California en Pomona, señala que China y EE.UU. mantienen vínculos íntimos en muchas áreas (entre ellas, la ciencia) que podrían evitar una competición hostil en el ámbito cuántico. En la actualidad, cientos de miles de estudiantes chinos se van a estudiar a EE.UU., y los científicos de ambos países colaboran de manera estrecha en investigaciones que van desde la agricultura hasta la zoología. Pese a las crecientes tensiones geopolíticas, ambos países «son los mayores colaboradores internacionales», sostiene Wang.
Qubit a qubit
Hace cuarenta años, el físico Richard Feynman hizo una propuesta sencilla: los ordenadores clásicos que intentaban simular una realidad esencialmente cuántica podrían ser superados por un ordenador que, como la realidad, fuera cuántico en sí mismo. En 2019, un equipo de Google dirigido por Martinis puso de manifiesto esta ventaja cuántica al demostrar que el procesador Sycamore podía llevar a cabo una tarea muy concreta exponencialmente más rápido que los superordenadores clásicos más potentes (aunque un equipo competidor de IBM rebatió que el logro de Google representara una verdadera ventaja cuántica). Un año después, los investigadores de la USTC realizaron un experimento similar con un ordenador cuántico fabricado con fotones.
¿Por qué los ordenadores cuánticos rudimentarios pueden superar a los superordenadores clásicos en tareas específicas? La idea general es la siguiente: en vez de bits clásicos (que valen 0 ó 1), un ordenador cuántico emplea qubits, que poseen un estado intermedio entre 0 y 1 antes de la medición, lo que se denomina una superposición cuántica. Para que funcionen juntos en un ordenador, los qubits también deben estar entrelazados, o correlacionados cuánticamente entre sí.
Tal vez sea más intuitivo considerar la tarea que han realizado Zuchongzhi y Sycamore. «Es tan simple que casi da vergüenza», señala Aaronson. «Todo se reduce a una secuencia aleatoria de operaciones cuánticas.» Ese conjunto caótico de instrucciones entrelaza todos los qubits en un gran estado desordenado, que resulta más fácil de describir con qubits que con bits. Y es que describir dos qubits entrelazados requiere cuatro bits clásicos. (Hay cuatro resultados posibles: 00, 01, 10 o 11.) La complejidad del estado aumenta de forma exponencial, así que algo que se puede describir mediante 50 qubits precisa 250 bits clásicos (unos mil billones). Los ordenadores cuánticos fotónicos crean un estado entrelazado similar, pero con fotones actuando como qubits.
Esa es la razón por la que incluso un pequeño ordenador cuántico de 50 qubits puede superar a un enorme superordenador clásico. «Si nos fijamos en Occidente —Estados Unidos, Europa—, no ha habido demasiada gente que pensara en repetir el experimento [de Google en 2019]», apunta Martinis. «Me admira que en China se propongan hacerlo en serio.»
Con 56 qubits y 113 fotones detectados, los sistemas de la USTC que se detallan en dos de las nuevas prepublicaciones son técnicamente los ordenadores cuánticos más potentes del mundo, con dos grandes salvedades. En primer lugar, ninguno de ellos puede hacer nada útil. (La computación cuántica con fotones no constituye una plataforma de computación universal, por lo que, aun llevada a mayor escala, no produciría ordenadores programables como los habituales.) Además, tampoco está claro cuánta ventaja cuántica tienen sobre los ordenadores clásicos. En los últimos meses, varios estudios han defendido que es posible aproximar clásicamente ese estado entrelazado, sobre todo en el caso de los ordenadores cuánticos fotónicos.
Pero los investigadores de la USTC tienen un buen aliciente para trabajar con ordenadores cuánticos fotónicos, pese a las dificultades: los fotones son el medio en que se basa la incipiente red cuántica de China. Ya se ha establecido un primer enlace cuántico entre Pekín y Shanghái, a través de miles de kilómetros de cables de fibra óptica. El enlace no constituye una conexión cuántica completa: se divide en nodos porque los fotones solo pueden alcanzar una cierta distancia sin sucumbir al ruido de la fibra. Una auténtica red cuántica podría tener diversas aplicaciones, pero las dos principales son la sincronización precisa y las comunicaciones inviolables.
Para cumplir esa promesa, las redes cuánticas necesitarán (entre otras cosas) fotones individuales entrelazados que puedan usarse para distribuir claves cuánticas o en otras operaciones que requieran entrelazamiento. Los puntos cuánticos se consideran fuentes ideales de fotones individuales, pero hasta ahora nunca habían logrado enviarlos a través de más de un kilómetro de fibra. (En general, cuanto más larga es la fibra, más ruido hay.) Pero el equipo de la USTC consiguió aumentar la distancia de transmisión y, al mismo tiempo, reducir el ruido de los fotones individuales. Su éxito se debió a la adopción de medidas muy exigentes, como estabilizar la temperatura de la fibra de 300 kilómetros con una precisión de una décima de grado Celsius.
La carrera cuántica
¿Está China por delante de EE.UU. en las técnicas relacionadas con la información cuántica? La respuesta depende del criterio que usemos. Aunque las estimaciones varían, parece que ambos países financian estas investigaciones con más de 100 millones de dólares al año. China tiene más patentes en todo el espectro de la tecnología cuántica, pero las empresas estadounidenses llevan una ventaja considerable en patentes de computación cuántica. Y, por supuesto, China tiene una red cuántica más avanzada y ahora posee los dos ordenadores cuánticos más potentes.
«Se trata de un problema realmente nuevo para EE.UU.», asegura Mitch Ambrose, analista de política científica del Instituto Americano de Física. «Ha estado en cabeza durante tanto tiempo y en tantas áreas que no ha tenido que pensar demasiado en lo que implica ir a la zaga.»
En términos generales, casi toda la investigación cuántica de China está impulsada por el Estado y se concentra en unas pocas universidades y compañías. En EE.UU. la investigación es mucho más diversa y se reparte entre decenas de agencias financiadoras, universidades y empresas privadas.
«El Gobierno chino se toma muy en serio la tecnología científica, seguramente más que la administración estadounidense», sentencia Wang. «Nadie más va asumir esa responsabilidad.»
En la actualidad, el Gobierno de EE.UU. está determinando cómo financiar la futura ciencia de la información cuántica mediante propuestas como la Ley de Innovación y Competencia de 2021, que aportaría 1500 millones de dólares para la investigación en comunicaciones, incluidas las cuánticas. En respuesta a los problemas de seguridad con China, ese proyecto de ley también prioriza la fabricación de semiconductores e incluye una disposición que restringiría la cooperación con China en materia de energía nuclear y armamento. No es la primera restricción a la colaboración científica entre ambos países: desde 2011 la NASA ha estado sometida a la Enmienda Wolf, que prohíbe cualquier cooperación con la agencia espacial china, a no ser que haya un permiso especial. En cambio, China y EE.UU. también llevan más de cuatro décadas cooperando oficialmente en materia científica, en virtud del Acuerdo de Cooperación en Ciencia y Tecnología que suscribieron en 1979.
Mientras las tensiones entre ambas naciones continúan creciendo, la investigación cuántica ocupa un lugar incómodo: aunque sigue siendo ciencia básica y sus aplicaciones actuales son escasas, su potencial estratégico futuro es indudable e inmenso. «¿Cuáles son las reglas del juego para los futuros intercambios científicos en cualquier campo, y en especial el cuántico?» se pregunta Ambrose. Una financiación agresiva de las técnicas cuánticas podría deteriorar aún más las relaciones, pero también podría estimular una mayor cooperación y transparencia entre países competidores que buscan demostrar su competencia cuántica.
Durante la guerra fría, Estados Unidos y la Unión Soviética trataron de demostrar que estaban a la par o por encima del otro en materia de armamento nuclear, vuelos espaciales y otras actividades técnicas de importancia estratégica. Olga Krasnyak, experta en diplomacia científica de la Universidad Nacional de Investigación de Moscú, sostiene que los intercambios científicos resultantes entre EE.UU. y la URSS contribuyeron a poner fin a la Guerra Fría. «La diplomacia científica tiene esa ventaja: utiliza la ciencia, que es universal», expone Krasnyak. Y lo que es igual de importante, usa a los científicos, que históricamente han aprovechado su condición humana y su búsqueda compartida del conocimiento para superar las tensiones provocadas por cualquier diferencia ideológica. Quizá la computación y las comunicaciones cuánticas tienen el poder de transformar el mundo, pero Krasnyak también cree «en el poder de la comunicación humana».
Daniel Garisto
Referencias: «Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor», Yulin Wu et al. en arXiv:2106.14734, 28 de junio de 2021; «Phase-programmable Gaussian boson sampling using stimulated squeezed light», Han-Sen Zhong et al. en arXiv:2106.15534, 29 de junio de 2021; «Quantum interference between independent solid-state single-photon sources separated by 300 km fiber», Xiang You et al. en arXiv:2106.15545, 29 de junio de 2021.
