IBM, Google y Microsoft: los hitos de los jugadores 'vip' de la informática cuántica

Todavía no nos hemos quitado la cara de sorpresa con la disrupción de la Inteligencia Artificial (IA) en nuestras vidas cotidianas, que todavía nos va a dar muchas sorpresas, y ya estamos mirando de reojo y asombrados lo que puede llegar a cambiarnos la vida la computación cuántica que investigan, desarrollan y perfeccionan cada día las grandes multinacionales tecnológicas globales. 

Este 14 de junio IBM ha vuelto a dar la campanada con un nuevo hito en el desarrollo de la computación cuántica, y como su competencia hizo en febrero de este año, ha publicado en la revista Nature que, por primera vez, “un ordenador cuántico con 127 cúbits puede producir resultados precisos sobre un problema complejo, superando la escala de más de 100 cúbits”.

El logro es importante porque los ordenadores cuánticos actuales son propensos a errores. Para ofrecer resultados fiables, “el ordenador tiene que corregir los errores antes de que se acumulen, —explican desde la multinacional—, algo que hasta la fecha ha estado fuera del alcance incluso de las máquinas cuánticas más avanzadas. Si conseguimos reducir estos errores, los ordenadores cuánticos podrán simular componentes de materiales que los métodos clásicos no pueden”. El equipo de científicos de la Universidad de Berkeley, en California, “utilizó el procesador cuántico IBM Eagle de 127 cúbits para generar grandes estados entrelazados, que simulan la dinámica de los espines en un modelo de material y predicen con precisión sus propiedades”, y comprobó que al realizar las mismas simulaciones en superordenadores clásicos avanzados, verificaban los resultados del Eagle, que continuó ofreciendo resultados precisos, mientras que los métodos clásicos acababan fallando.

No hay descanso en la investigación, porque como dice Fernando Maldonado, analista principal de IDG Research, “actualmente la computación cuántica encierra una promesa de valor que las grandes tecnológicas no pueden ignorar. Incluso las principales potencias económicas compiten por su liderazgo: ¿Quién llegará antes, China o Estados Unidos?  Por cierto, el gigante asiático invierte de largo mucho más. Está en juego el futuro liderazgo tecnológico”.

Para Maldonado, este trasfondo es importante, porque todavía no hemos llegado a conseguir máquinas cuánticas fiables y tampoco sabemos cuándo lo conseguiremos. “Esto puede pasar en cinco años, en 10 o en 50. Ante esta incertidumbre es importante que se mantenga la inversión. Por eso creo que la lucha por su dominancia va a hacer que el dinero siga llegando”, explica.

Según Fernando Maldonado (IDG Research), “la computación cuántica encierra una promesa de valor que las grandes tecnológicas no pueden ignorar. Incluso las principales potencias económicas compiten por su liderazgo”

IBM: en el mundo, en Europa y en Donosti

Con la última investigación de IBM, la empresa confirma que para finales de 2023, la flota de sus sistemas cuánticos en ubicaciones de socios, en la nube e in situ, estará alimentada por el hardware utilizado para llevar a cabo este gran avance: procesadores cuánticos con al menos 127 cúbits, “que proporcionarán espacios de computación que superarán los métodos clásicos, se podrán combinar con técnicas de mitigación de errores y permitirá un nuevo estándar de ‘escala de utlidad’”. Con el tratarán de alcanzar el valor cuántico en la sanidad y las ciencias de la vida, física de altas energías, materiales y optimización.

En 2016, IBM fue la primera compañía en hacer accesible un ordenador cuántico universal a través de la nube, y ahora tiene una comunidad global activa de más de 450.000 usuarios, que han ejecutado billones de circuitos cuánticos en la flota más grande del mundo, de más de 20 ordenadores cuánticos desplegados a través de la nube.

Con esos datos, Mikel Diez, Quantum Global Sales Enablement Lead de IBM, nos pone en antecedentes de la perseverancia de la firma, que en los últimos meses ha realizado más anuncios relacionados con la computación cuántica. Hace unas semanas fue “la próxima apertura del primer centro de datos de computación cuántica de IBM en Europa, para proporcionar el acceso a sistemas cuánticos de vanguardia a empresas, instituciones de investigación y entidades gubernamentales”, explica Diez, quien asegura que el centro, ubicado en Ehiningen, Alemania, donde la Big Blue ya tiene uno de sus seis ordenadores cuánticos IBM Quantum System One, “contará con múltiples sistemas de computación cuántica de IBM, cada uno de ellos dotado con procesadores cuánticos de escala utilitaria, es decir, de más de 100 cúbits, que impulsará la innovación y el desarrollo de la región”.

El gigante tecnológico expande su capacidad para la investigación cuántica alrededor del mundo, porque también recientemente ha firmado un acuerdo de colaboración de 10 años y 100 millones de dólares con la Universidad de Tokio y la Universidad de Chicago para desarrollar un superordenador cuántico de 100.000 qubits para 2033. Además, están en construcción los ordenadores cuánticos en la Universidad Yonsei de Corea y en Quebec (Canadá). “Pero no menos importante, —saca pecho Diez— acabamos de anunciar en marzo la colaboración de IBM con la Fundación Ikerbasque para lanzar un Centro de Computación Cuántica en el País Vasco”, gestionado por la multinacional, que proporcionará servicios Qiskit Runtime desde un IBM Quantum System One, alimentado por un procesador Eagle de 127 qubits, que se desplegará en el campus de Ibaeta (Donosti) donde se espera tener instalada la máquina, la sexta en el mundo de la compañía y segunda en Europa, a finales de 2024.

Con una inversión de 50,8 millones de euros, la mayor realizada en la comunidad autónoma vasca para una infraestructura científica, “el Euskadi Quantum Computational Center promoverá el uso de tecnología avanzada en todo el Gobierno Vasco, en las Diputaciones Generales, y en España, y elevará aún más las instituciones de investigación vascas, al ampliar las colaboraciones internacionales de investigación, llevar a cabo investigación en científica básica de categoría mundial y aumentar el talento cuántico en la región”, augura el directivo de IBM.

Entre los últimos logros de la multinacional, en el área de hardware resalta el lanzamiento en 2022 del procesador Osprey de 433 cúbits, el mayor número de cúbits hasta la fecha. “Es capaz de ejecutar cálculos cuánticos complejos más allá de lo que cualquier ordenador clásico sería capaz de hacer, — afirma Diez—. Como referencia, el número de bits clásicos que se necesitarían para representar un estado en el procesador IBM Osprey supera el número total de átomos del universo, tal y como lo conocemos”, explica para los no entendidos.

A finales de este año, IBM tiene previsto lanzar el procesador Condor de 1.000 cúbits, así como desplegar un prototipo del IBM Quantum System Two, que según Diez, “incorpora modularidad y flexibilidad en cada capa del stack tecnológico y ofrecerá la infraestructura necesaria para enlazar con éxito múltiples procesadores cuánticos y construir los centros de datos cuánticos modulares del futuro”.

Maldonado reconoce la importancia de la presencia de la Big Blue en tierras vascas. “IBM es la que está realizando una mayor inversión en España con el reciente lanzamiento de la iniciativa Basque Quantum. Pero aparte de lo que es estrictamente las máquinas cuánticas que están realizando los gigantes tecnológicos, también habrá que desarrollar nuevos algoritmos y esto requiere un conocimiento experto”. Según observa el analista de IDC, “es aquí donde empresas, como la start-up donostiarra Multiverse Computing, se encargarán de desarrollar el software que permita a los negocios sacar todo el partido. Echando un vistazo a sus clientes, se puede ver como BBVA, La Caixa, Repsol, Acciona o Iberdrola ya están experimentando con la computación cuántica”.

Google: el camino a la corrección de errores cuánticos

La computadora cuántica de Google Quantum AI, llamada Sycamore, que trabaja con 54 cúbits, está ubicada en el Quantum AI Campus en Santa Bárbara, California. Al contrario que IBM, en materia de investigación cuántica, la compañía del gran buscador no se ha expandido más allá de la costa oeste norteamericana. En 2019, Google reveló haber alcanzado la “supremacía cuántica” — punto en el que un ordenador cuántico puede completar un cálculo que es, a todos los efectos, imposible para un ordenador tradicional— al conseguir realizar una serie de operaciones en 200 segundos, lo que una supercomputadora tardaría unos diez mil años en completar.

A finales del pasado mes de febrero, Hartmut Neven, vicepresidente de ingeniería de Google, y Julian Kelly, director de hardware cuántico del gigante tecnológico, “en nombre del equipo de IA cuántica de Google” anunciaban que tenían “resultados experimentales de un prototipo de la unidad básica de una computadora cuántica, con corrección de errores conocida como cúbit lógico, con un rendimiento cercano al régimen que permite la computación cuántica tolerante a fallas escalable”.

Según lo explicaban los ingenieros, habían demostrado experimentalmente “que es posible reducir el número de errores aumentando el número de cúbits”. En Google estaban encantados porque, por primera vez en cualquier plataforma de computación cuántica, “en lugar de trabajar con los cúbits físicos de un procesador cuántico uno a uno, hemos tratado un grupo de cúbits como un único cúbit lógico”. Habían creado un cúbit lógico a partir de 49 cúbits físicos, que resultó ser superior a otro cúbit lógico creado con 17 cúbits físicos, y así lo publicaban en la revista Nature. De esta manera consiguen corregir los índices de errores de los cúbits, que pueden estropear la ejecución de cualquier algoritmo o aplicación útil de la computación cuántica. Con su logro experimental, “la corrección de errores cuánticos protege la información codificándola en múltiples cúbits físicos para formar un cúbit lógico", según explicaba Sundar Pichai, CEO de Google.

El ingeniero Neven declaró orgulloso que “por primera vez hemos superado el punto de equilibrio. Demostramos que la corrección de errores cuánticos no solo funciona en teoría, sino que también funciona en la práctica. Podremos completar nuestra hoja de ruta y construir una gran computadora cuántica útil. Va a suceder en no mucho tiempo”. Según su compañero Julian Kelly, con este hito, “hemos abierto la puerta hacia la fabricación de computadoras cuánticas muy grandes y poderosas en el futuro, con las que los humanos podrán resolver problemas que de otro modo no podían”.

Maldonado reconoce esta corrección de errores anunciada por Google como uno de los últimos hitos conseguidos, que además se traduce en una mayor fiabilidad de los resultados. Sin embargo, señala que es difícil determinar cuál de los gigantes tecnológicos está más avanzado. “Algunas de sus afirmaciones son rebatidas por los competidores. En 2019 Google anunció la ‘supremacía cuántica’, fue cuestionado por IBM y otras, hubo matizaciones y un intenso debate. Algo parecido sucedió a principios de año cuando investigadores chinos anunciaron que habían ideado una manera de romper el cifrado RSA que sustenta gran parte de las comunicaciones en Internet”.

Lo que sí que sabemos, según el analista de IDC, “es que la primera empresa en desarrollar un ordenador cuántico fiable tendrá pingües beneficios. McKinsey estima que las cuatro industrias más afectadas por el desarrollo de la computación cuántica serán la automoción, los productos químicos, los servicios financieros y las ciencias de la vida. Según esta consultora, el mercado será en 2035 de 1.300 millones de dólares”.

"McKinsey estima que las cuatro industrias más afectadas por el desarrollo de la computación cuántica serán la automoción, los productos químicos, los servicios financieros y las ciencias de la vida. El mercado será en 2035 de 1.300 millones de dólares"

Microsotf: algoritmos, estándares y Azure Quamtum participativo

La compañía creada por Bill Gates trabaja en computación cuántica desde hace más de 20 años. Desde 2014 invierte en investigación, desarrollo, experimentación y colabora con diferentes organismos para avanzar en la definición de algoritmos de criptografía postcuántica (PQC), participa en el desarrollo de estándares como los internacionales SC27 / WG2 y ha estado en estrecha colaboración con el National Institute of Standards and Technology (NIST), “apoyando y contribuyendo al proyecto del Centro Nacional de Excelencia en Ciberseguridad sobre Migración a Criptografía Post-Cuántica, para preparar a las organizaciones para la transición a PQC”, según nos describe Alberto Pinedo, National Technology Officer de Microsoft España.

Pinedo señala como avances cuánticos de la compañía la creación de Azure Quantum, “primer ecosistema abierto de nube pública del mundo para soluciones cuánticas, en el que los desarrolladores, investigadores, integradores de sistemas y clientes pueden aprender y crear soluciones basadas en las últimas innovaciones". En cuanto a la investigación, la tecnológica se ha centrado en desarrollar cúbits topológicos “que se espera sean más rápidos, más pequeños y menos propensos a perder información que otros tipos de cúbits actualmente en desarrollo”. A través de Azure Quantum, los clientes de la compañía pueden incluso escribir código que aproveche los avances en hardware a medida que estos se producen; "equipos clásicos, hardware cuántico de nuestros asociados o nuestro propio sistema cuántico creado sobre la base del revolucionario cúbit topológico del mañana”, según explica Pinedo.

El objetivo de este nuevo ecosistema es acelerar el I+D con el acceso a soluciones de software y hardware cuántico, con una red de investigadores y desarrolladores líderes, una sólida biblioteca de recursos, y la flexibilidad de elegir programas de desarrollo de autoservicio o a medida a través del Programa de Aceleración Empresarial de Microsoft. Y para acelerar el aprovechamiento real de esta tecnología en la industria, “hemos creado un kit de desarrollo de Quantum de código abierto basado en el lenguaje de programación Q#”, afirma Pinedo.

Además, mano a mano con una Comunidad Cuántica Global, su equipo de computación cuántica trabaja en la innovación de cada capa de la pila cuántica, desde el software y las aplicaciones, hasta el control y los dispositivos. Por un lado desarrollan algoritmos y protocolos criptográficos de clave pública resistentes a la tecnología cuántica, y por otro, avanzan en la tecnología de control de cúbits desde su laboratorio cuántico ubicado en la Universidad de Sydney, Australia. “Allí desarrollamos una plataforma de control cuántico criogénico que utiliza circuitos CMOS especializados, para tomar entradas digitales y generar muchas señales de control de cúbits en paralelo (hasta 50.000), lo que permite ganar en escala y supone un salto adelante respecto a la tecnología anterior”.

Como compañía global, todas sus herramientas y recursos están a disposición de todos los desarrolladores. Sin embargo, tiene una especial presencia en España mediante los acuerdos de colaboración con Multiverse Computing, “la mayor startup europea de desarrollo de soluciones de software cuántico”, según Pinedo.

Aplicaciones prácticas de la computación cuántica

¿Y qué esperamos que se pueda hacer con la computación cuántica? ¿Qué saben ya sobre sus aplicaciones las grandes compañías que juguetean con este prometedor futuro? Para Mikel Diez, “tiene aplicación en cualquier área de conocimiento. En su red cuántica, IBM Quantum Network, hay más de 250 entidades de todo tipo de sectores, desde banca, energéticas, petroleras, empresas logísticas, de automoción, de electrónica, “y todas ellas cuentan ya con casos de éxito de cómo han aplicado la computación cuántica”, asegura.

Es el caso de Moderna, compañía de biotecnología pionera en terapias y vacunas de ARN mensajero (ARNm) e IBM, que han anunciado recientemente un acuerdo por el que la farmaceútica explorará tecnologías de nueva generación que incluyen la computación cuántica y la inteligencia artificial para avanzar y acelerar la investigación y la ciencia del ARNm. “Juntas, ambas empresas, explorarán la posible aplicación de enfoques cuánticos a los retos científicos de Moderna”, presume Diez. 

Actualmente los centros de investigación y las empresas que trabajan con IBM explotan estrategias para utilizar los sistemas cuánticos en el desarrollo de nuevos materiales, fármacos innovadores y también para desarrollar nuevos conocimientos en el ámbito de la física de alta energía, la transición energética, las comunicaciones cuánticas y aplicaciones financieras. Suena bien, aunque aún hay que resolver algunos desafíos antes de ver soluciones cuánticas a problemas realmente significativos.

Desde Google también ven un prometedor futuro a las aplicaciones prácticas de su computadora cuántica Sycamore. “Podría resolver problemas y cálculos que serían demasiado difíciles o incluso imposibles para las computadoras clásicas, como diseñar mejores baterías, descubrir qué moléculas podrían producir medicamentos efectivos o minimizar las emisiones de la creación de fertilizantes, y ayudar a mejorar las tecnologías avanzadas existentes, como el machine learning (ML)”, según asegura su CEO, Sundar Pichai. También están trabajando en aplicaciones a corto plazo, incluyendo la simulación de física y química cuántica, así como en la implementación del ML generativo. “La misión principal es demostrar que es posible emplear una computadora con procesador cuántico y su potencia superior a la de cualquier ordenador actual. A medida que se desarrolle esta tecnología se determinará para qué es útil esta velocidad”, dice Pichai.

También para Microsoft, el desarrollo del cálculo cuántico solventará los problemas que son muy complejos y requieren tanta potencia de cálculo que las tecnologías actuales no pueden abordar, “como los relacionados con el cambio climático, la optimización del transporte, la química, las finanzas, o la lucha contra el cáncer —por ejemplo, para ayudar a los médicos a detectar el cáncer y otras patologías en un estadio más temprano de la enfermedad y evitar así procedimientos más invasivos como las biopsias— que ya se benefician del potencial del Quantum Computing”, señala Alberto Pinedo.

Entre los casos de uso de sus clientes, en Microsoft ponen de ejemplo el caso de “Goldman Sachs, que emplean Q# para mejorar la precisión y la flexibilidad de sus estimaciones de recursos. O con ENEOS, la eléctrica más grande de Japón, que está investigando cómo producir y transportar combustible de hidrógeno. Dado que el transporte de hidrógeno es complicado, debido a su bajo peso, ENEOS necesita convertirlo en metilciclohexano, lo cual requiere un análisis vibracional de las moléculas, empleando la computación cuántica”.

Reconoce el CEO de Google que la computación cuántica “es un arma de doble filo, como todos los adelantos tecnológicos” y ve peligros como “una IA aún sin imaginar, cifrados descifrados con suma facilidad y el tema de la seguridad en Internet”

Un camino lleno de retos a superar

La maravilla cuántica tecnología tiene también su cara b. El analista Fernando Maldonado tiene claro cuál es el reto clave para su desarrollo. “Uno de los mayores desafíos es mantener los cúbits en una posición estable el tiempo suficiente para que sean utilizables; es decir, que permitan ejecutar un algoritmo cuántico. Sin embargo, cualquier alteración del entorno (pequeñas cantidades de calor, señales electrónicas, campos magnéticos) puede afectar al estado de los cúbits”.

Es por eso que la mayoría de los prototipos de ordenadores cuánticos “operan en una cámara criogénica a temperaturas cercanas al cero absoluto —explica Maldonado—. El problema es que, de alguna manera, hay que interactuar con la máquina, pero esta interacción a su vez introduce ruido y hace que pierda estabilidad”.

“Queda un largo camino por recorrer —reconoce Sundar Pichai desde Google—.  Habrá que mejorar varios componentes de nuestra tecnología, desde la criogenia hasta la electrónica de control, pasando por el diseño y los materiales de nuestros cúbits. Con estos desarrollos, será más fácil visualizar los ordenadores cuánticos en larga escala”.

Reconoce el CEO de Google que la computación cuántica “es un arma de doble filo, como todos los adelantos tecnológicos” y ve peligros como “una IA aún sin imaginar, cifrados descifrados con suma facilidad y el tema de la seguridad en Internet, debido a que las computadoras cuánticas tienen mayor potencial para descifrar contraseñas”. Y explica cómo habrá que controlar cuestiones como  las comunicaciones o la decodificación de información secreta, “combinada con la IA en funciones que van, desde la interpretación de cantidades titánicas de datos e imágenes, hasta la predicción de movimientos militares o el intercambio de información de una compañía con agentes externos”.

Microsoft trabaja por ello en la seguridad y el uso ético de esta tecnología, e implementa controles técnicos y operativos para garantizar que su máquina cuántica como servicio en la nube no se utilice de manera malintencionada. “En la actualidad, la mayoría de los sistemas de seguridad de los entornos de TI existentes se basan en la criptografía de clave pública, sistemas criptográficos que no resistirán el ataque de fuerza bruta de los equipos cuánticos, capaces de resolver cálculos matemáticos para descifrar el mensaje en un tiempo que no tiene nada que ver con el de la computación clásica”, advierte Alberto Pinedo. Sobre esta amenaza que plantean los ordenadores cuánticos, “investigamos algoritmos de seguridad y posibles opciones de mitigación para varios casos de uso, considerando esquemas de cifrado híbrido. Creamos un inventario criptográfico para identificar los criptogramas vulnerables en nuestras plataformas y servicios, y desarrollamos una hoja de ruta de varias fases para abordar las brechas y priorizar áreas cruciales”.

Para IBM, hay otro reto importante: “Hay que seguir desarrollando el ecosistema cuántico y formando a la mano de obra cuántica"

Para IBM, hay otro reto importante: “Hay que seguir desarrollando el ecosistema cuántico y formando a la mano de obra cuántica. De los más de 450.000 usuarios y más de 250 organizaciones de la red IBM Quantum Network, Europa supone la segunda mayor representación de IBM Quantum en nuestro ecosistema”, explica Mikel Diez.

El Gigante Azul está invirtiendo en ese ecosistema desde todos los vectores posibles: “Más de 65 organizaciones de IBM Quantum Network tienen su sede en Europa; contamos con más de 9.000 alumnos de Quantum, entre estudiantes de todos los niveles, que participan en nuestras escuelas virtuales de verano, hackathons y otros programas educativos, y con más de 250 Certified Qiskit Developers, es decir, desarrolladores de software expertos en la programación de nuestros sistemas”, dice su representante español. Y para invertir todavía con mayor antelación en los futuros ingenieros, la compañía cuenta con “más de 100 clases utilizando IBM Quantum (back-end + oferta educativa), correspondientes a colegios y universidades en Europa que enseñan cuántica utilizando nuestros sistemas”, añade Diez.