Un equipo de físicos de China afirma haber construido una computadora cuántica capaz de realizar ciertos cálculos casi 100 billones de veces más rápido que la supercomputadora más avanzada del mundo. De esta manera, China ha alcanzado el primer hito en la carrera global para desarrollar la computación cuántica a gran escala.

El hito, conocido como supremacía cuántica, se produce poco más de un año después de que Google se convirtiera en el primero en el mundo en lograr la misma hazaña.

El equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China construyó una computadora cuántica capaz de realizar cálculos casi 100 billones de veces más rápido que la supercomputadora más poderosa del mundo, según un artículo de investigación publicado en la revista Science.

Los principales investigadores de computación cuántica de China revelaron que su máquina de próxima generación utiliza una configuración completamente diferente en comparación con Google, lo que demuestra que existen múltiples enfoques para esta tecnología naciente.

Los investigadores afirmaron que su prototipo era 10 mil millones de veces más rápido que la máquina de Google, informó la agencia de noticias estatal Xinhua.

Las computadoras cuánticas fueron teorizadas por primera vez hace casi 40 años por el físico Richard Feynman, pero las máquinas prácticas apenas empiezan a ser construidas.

Funcionan reemplazando los bits tradicionales (los ‘1’ y ‘0’ utilizados para codificar información digital), con bits cuánticos o qubits. Estos pueden funcionar como un ‘1’ y un ‘0’ al mismo tiempo al existir en un estado de superposición, lo que significa que cada nuevo qubit agregado a la computadora aumenta la potencia exponencialmente en lugar de linealmente.

La aparición de las computadoras cuánticas promete hacer que el procesamiento de la información sea exponencialmente más poderoso para transformar todo, desde el tratamiento de enfermedades hasta la eliminación del tráfico.

Sin embargo, los expertos en seguridad también han advertido que las computadoras increíblemente rápidas representan una gran amenaza para las formas modernas de cifrado de las que dependen actualmente los sistemas de finanzas, comunicaciones y gobierno.

En última instancia, esto podría representar una amenaza para la seguridad nacional y Estados Unidos ya advirtió que los avances en China podrían hacer que Estados Unidos se quede atrás en la carrera de armamentos tecnológicos.

Un informe de 2019 del Center for a New American Security declaró: “Estados Unidos debe estar preparado para un futuro en el que su predominio tecnológico tradicional enfrente desafíos nuevos, quizás sin precedentes”.

El proceso para conseguirlo

El científico chino Pan Jianwei y sus colegas crearon un prototipo de computadora cuántica, llamada Jiuzhang, con la que detectaron hasta 76 fotones, partículas elementales responsables de causar manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético.

Durante su investigación, el sistema Jiuzhang utilizó el muestreo de bosones gaussiano (GBS, por sus siglas en inglés). Se trata de un clásico algoritmo de simulación que ha demostrado de forma muy eficiente la aceleración de la computación cuántica utilizada para resolver algunas tareas bien definidas.

El sistema Jiuzhang es capaz de implementar el muestreo del bosones gaussiano a gran escala, 100 billones de veces más rápido que la supercomputadora más rápida existente en el mundo. Por si fuera poco, el nuevo prototipo puede procesar datos 10.000 millones de veces más rápido que la computadora cuántica de 53 cubits desarrollada por Google.

“La ventaja computacional cuántica representa un tipo de umbral. Es decir, cuando la capacidad de un nuevo prototipo supera la de la computadora tradicional más potente en el manejo de una tarea particular, demuestra que posiblemente hará avances en muchas otras áreas”, señaló Lu Chaoyang, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China.

Por ahora, el sistema Jiuzhang es campeón en una sola área; sin embargo, los físicos chinos aseguran que, a diferencia de las computadoras convencionales, su aparato tiene potencial para ser usado en varios ámbitos, incluida la teoría de grafos, el aprendizaje automatizado y la química cuántica. Esto todo es gracias a su capacidad de supercomputación.

Esta supremacía cuántica es el resultado de 20 años de esfuerzo que ha aplicado el equipo de Pan Jianwei. Durante su investigación, los físicos chinos han logrado también solucionar varios problemas tecnológicos importantes. Uno de ellos fue descubrir una fuente de fotones de alta calidad.

Uno de los frentes en la carrera tecnológica

Hoy en día, los investigadores chinos compiten contra las principales corporaciones tecnológicas de EEUU, desde Alphabet hasta Amazon y Microsoft para alcanzar el liderazgo en la computación cuántica. Este ámbito, según la agencia Bloomberg, se ha convertido en otro frente en la carrera tecnológica entre EEUU y China.

En el 2019, Google anunció haber construido una computadora que podría realizar un cálculo que le ocuparía cerca de 10.000 años a las supercomputadoras más rápidas en 200 segundos. Hasta la fecha, este aparato ha mantenido la supremacía cuántica. Y el Gobierno de China, a su vez, ha hecho todo lo posible para arrebatársela.

Ahora, el país asiático está construyendo un Laboratorio Nacional para Ciencias de Información Cuántica por un valor de 10.000 millones de dólares. Su levantamiento forma  parte de un gran impulso que Pekín ha dado en ese campo.

Mientras tanto, en EEUU, la Administración Trump ofreció fondos de 1.000 millones de dólares para realizar investigaciones a principios del 2020 en la inteligencia artificial y la información cuántica y ha tratado de atribuirse el avance de Google, destaca el medio.

El hombre que ha convertido a China en líder del sector cuántico

El 29 de septiembre de 2017, el satélite chino Micius hizo posible una videoconferencia, inaccesible para hackers, entre Viena (Austria) y Beijing (China), dos ciudades que están a medio mundo de distancia (ver La física cuántica logra proteger una videollamada intercontinental). Mientras avanzaba por el cielo nocturno a 29.000 kilómetros por hora, el satélite envió un pequeño paquete de datos a una estación terrestre en Xinglong, a un par de horas en coche al noreste de Beijing. Menos de una hora después, el satélite sobrevoló Austria y envió otro paquete de datos a una estación cerca de la ciudad de Graz (Austria).

Los paquetes eran claves de cifrado que garantizaban la seguridad de los datos transmitidos. Lo más significativo fue que las claves distribuidas por el satélite estaban codificadas en fotones en un delicado estado cuántico. Cualquier intento de interceptarlas habría colapsado ese estado, destruyendo la información y advirtiendo de la intromisión de un hacker. Esto significa que dichas claves eran mucho más seguras que las que se envían en forma de bits clásicos, que son un flujo de pulsos eléctricos u ópticos que representan unos y ceros que se pueden leer y copiar.

El cifrado del vídeo no era cuántico sino convencional, pero como se necesitaban las claves cuánticas para descifrarlo, su seguridad estaba garantizada. Esto lo convirtió en el primer enlace de vídeo intercontinental del mundo basado en criptografía cuántica.

El hombre detrás de este logro es el profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), conocida como el “Caltech de China“, Jian-Wei Pan.  Pan, de 48 años, ha creado una serie de avances que le han llevado a la fama científica en su país. Su trabajo ha sido aplaudido por el presidente, Xi Jinping, y los medios locales a menudo le llaman “el padre de lo cuántico”.

Las comunicaciones cuánticas y la computación cuántica aún están emergiendo, pero se encuentran entre los “megaproyectos” tecnológicos de los que el Gobierno de China espera avances importantes para 2030. Con este apoyo, el país espera convertirse en líder de la naciente era cuántica como hizo EE. UU. durante la era informática y la revolución de la información que siguió después. Pan, quien en 2011 se convirtió en el miembro más joven de la Academia China de Ciencias, es fundamental para que el Gobierno chino logre este objetivo.

En una entrevista con MIT Technology Review, Pan habló sobre la importancia de la colaboración internacional, pero también dejó claro que China ve una ventana única para crear el próximo cambio de metas del panorama tecnológico. El experto detalló: “En el nacimiento de la ciencia de la información moderna solo éramos seguidores y aprendices. Ahora tenemos la oportunidad… de ser líderes”.

Las ambiciones de Pan incluyen un plan para crear una constelación de satélites que se extienda por todo el mundo y forje el internet cuántico súper seguro. También espera ayudar a China a alcanzar, y quizás superar, a Estados Unidos en la construcción de los poderosos ordenadores cuánticos. En estas máquinas las unidades fundamentales de cálculo son los cúbits, que, a diferencia de los bits, pueden ocupar un estado cuántico de ceros y unos simultáneamente. Al vincular los cúbits a través de un fenómeno casi místico conocido como entrelazamiento cuántico, los ordenadores cuánticos pueden generar aumentos exponenciales en la potencia del procesamiento.

En el futuro, estas máquinas se podrán usar para descubrir nuevos materiales y medicamentos gracias a su capacidad de ejecutar simulaciones de reacciones químicas inasumibles para los ordenadores clásicos. También podrían acelerar los avances de la inteligencia artificial (IA). Las redes seguras que utilizan la distribución de claves cuánticas (QKD) podrían transmitir datos confidenciales para transacciones financieras y mantener en secreto las operaciones y comunicaciones militares. Los investigadores también están trabajando en sensores cuánticos que permitirían a los submarinos navegar sin depender de las señales de los satélites, y en un radar cuántico que podría detectar los aviones “ocultos”.

Colaboración internacional

A pesar de la intensa competencia entre Estados Unidos y China en las tecnologías cuánticas, la videollamada realizada gracias al satélite Micius, que lleva el nombre de un científico y filósofo chino, fue fruto de la cooperación internacional entre un equipo liderado por Pan y otro liderado por el físico cuántico en la Academia de Ciencias de Austria Anton Zeilinger. Zeilinger fue el tutor de la tesis doctoral de Pan en la década de 1990, y vio un potencial en el joven estudiante chino. Su mentor recuerda: “Cuando llegó aquí, estaba centrado al 100 % en la física teórica. Pero me di cuenta de que podía hacer más, así que le sugerí que probara con los experimentos, y lo hizo con mucho éxito”.

De hecho, fue tan exitoso que Zeilinger se alegró mucho cuando su exalumno propuso una colaboración en el QKD intercontinental en 2011. El equipo de Pan ya había realizado experimentos durante varios años para demostrar que un sistema basado en el espacio podía funcionar. Finalmente consiguió la aprobación del Gobierno chino para construir un satélite que fue lanzado en 2016.

Hacer que la QKD funcione en la Tierra ya es bastante difícil. Hacerlo desde un satélite significaba resolver una gran cantidad de problemas adicionales, desde alinear las transmisiones del satélite con las estaciones terrestres de forma precisa hasta minimizar el número de fotones perdidos en la atmósfera. Los observadores quedaron impresionados, afirma el profesor de física en la Universidad de Toronto (Canadá) Hoi-Kwong Lo. “Hay una gran cantidad de recursos dedicados a la investigación cuántica en China, lo que significa que pueden hacer cosas imposibles para países “, añade.

Pan prevé el día en el que los centros de datos de diferentes continentes se conectarán a través de los satélites cuánticos que él está planeando.

Otros logros de China incluyen la construcción de la red terrestre de QKD más larga del mundo. Este enlace terrestre de 2.032 kilómetros entre Beijing y Shanghái, que también fue liderado por Pan, envía claves de criptografía cuántica entre estaciones, creando una red ultrasegura para transmitir datos financieros y otra información confidencial. Algunas ciudades chinas también están construyendo sus redes municipales de este tipo.

Es difícil determinar cuánto está invirtiendo China exactamente en estos y otros proyectos cuánticos porque la financiación de los programas gubernamentales es opaca. Pero Pan afirma que el dinero dedicado al próximo plan nacional cuántico de China será “por lo menos del mismo orden de magnitud” que el del proyecto Quantum Technologies Flagship recientemente lanzado en Europa, una iniciativa de 10 años y 1.000 millones de euros.

Aunque el dinero importa, el éxito de China va más allá de la financiación de satélites y otros proyectos. El país también se beneficia de una estrategia de décadas de enviar jóvenes investigadores al extranjero para que aprendieran de expertos como Zeilinger y luego traerlos a casa para que continúen su trabajo.

China está publicando una gran cantidad de artículos de alta calidad sobre la ciencia cuántica. El número de patentes chinas registradas en áreas como las comunicaciones cuánticas y la criptografía cuántica también se ha disparado, superando con creces a las registradas en Estados Unidos y en otros lugares.

Para ayudar al desarrollo de los futuros investigadores cuánticos, el país está construyendo un Laboratorio Nacional de Ciencias de la Información Cuántica en Hefei (China) para lo que ha destinado 877 millones de euros y que abrirá en 2020. El centro reunirá a expertos de diversas disciplinas, como física, ingeniería eléctrica y ciencia de materiales. Parte de la financiación será para un nuevo campus de la USTC en ese mismo emplazamiento para formar a los investigadores cuánticos. Pan detalla: “Estamos trabajando arduamente para desarrollar la fuerza laboral del futuro en el campo de la tecnología cuántica“.

Él ya había creado un centro de información cuántica y física cuántica en la USTC. En junio de 2018, un equipo de este centro anunció que había establecido un récord mundial de entrelazamiento de cúbits, logrando vincular a 18 de ellos. Avances como este nos acercan al punto en el que una máquina cuántica finalmente podrá superar en ciertas tareas incluso a la supercomputadora convencional más poderosa, un hito conocido como supremacía cuántica.

También existen planes ambiciosos para ampliar los esfuerzos espaciales. Pan dice que en los próximos cuatro o cinco años, China lanzará otros cuatro satélites cuánticos a la órbita baja y más tarde enviará uno geoestacionario a la órbita alta. El objetivo a largo plazo es crear un internet cuántico seguro que abarque todo el continente y que pueda eclipsar la versión actual. Mirando mucho más adelante, algún día esta tecnología podría ser utilizada para hacerlo todo más seguro, desde los teléfonos inteligentes hasta los ordenadores portátiles.

Líder y rezagado

Entonces, ¿está China realmente dispuesta a dominar la era cuántica emergente? ¿Y, si lo consigue, qué hará con ese liderazgo?

La respuesta a la primera de esas preguntas tiene matices. Si bien Micius y las redes QKD con su base terrestre dan a China una ventaja, por ahora, en las comunicaciones cuánticas seguras, aún sigue por detrás de Estados Unidos en la computación cuántica. Pero, como muestra el éxito del equipo de Pan con los cúbits entrelazados, China está avanzando rápidamente. Las grandes empresas tecnológicas chinas como Alibaba y Baidu también están invirtiendo fuerte en la computación cuántica. Alibaba ha lanzado un servicio de computación en la nube que permite a las personas experimentar con los procesadores cuánticos, igual que los esfuerzos similares de las compañías estadounidenses como IBM y Rigetti.

El profesor del MIT (EE. UU.) y pionero de la computación cuántica Isaac Chuang señala que una de las razones por las que China ha tenido tanto éxito en la ciencia cuántica es la estrecha coordinación entre los grupos de investigación gubernamentales, la Academia China de Ciencias y las universidades del país. Europa ahora tiene su propio plan maestro cuántico para impulsar tales colaboraciones, pero EE. UU. está tardando en crear una estrategia integral para desarrollar las tecnologías y construir una futura fuerza de trabajo cuántica.

Pase lo que pase en otra parte, China seguirá adelante. Pan destaca las oportunidades comerciales. Algunas empresas ya están utilizando la red Beijing-Shanghai para enviar información de forma segura. Y prevé que los centros de datos de diferentes continentes acabarán conectándose a través de la constelación de satélites cuánticos que planea lanzar.

Esos satélites, por supuesto, también podrían ser usados para fines militares. La investigadora del think tank Centro para una Nueva Seguridad de Estados Unidos, Elsa Kania, asegura que varios departamentos de las Fuerzas Armadas de China están financiando investigaciones sobre las comunicaciones cuánticas, sensores y radares. Grandes compañías como China Shipbuilding Industry Corporation, una de las mayores constructoras de buques de guerra y submarinos del país, están trabajando con universidades en proyectos cuánticos. Si China cree que la tecnología le dará una ventaja militar, podría alejarse de las colaboraciones internacionales para no tener que compartir las innovaciones.

Una parte más optimista ve a China abierta a los tipos de intercambios que han ayudado a que se convierta en una superpotencia cuántica, y que hará todo lo posible para beneficiarse de una nueva economía de datos inspirada por la física cuántica. La idea de que China podría acabar liderando este campo parece inspirar a sus principales gobernantes: Xi Jinping incluso ha llegado a decir públicamente de que la ciencia cuántica está iniciando “una nueva revolución industrial“.

Pase lo que pase, China seguirá contando con el apoyo del padre de lo cuántico para alcanzar el éxito.

The Independent, Sputnik News, MIT Technology Review, Planeta Calleja