21/7/2019
Diálogos con la ciencia

«Si no se puede evitar que los errores ocurran, aún queda otra solución: corregirlos»

Jorge Wagensberg conversa una vez al mes con científicos españoles. Esta semana, con Juan Ignacio Cirac

Jorge Wagensberg - 15/01/2016 - Número 17
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«Si no se puede evitar que los errores ocurran, aún queda otra solución: corregirlos»
iker Ayestaran

Juan Ignacio Cirac es el físico español más reconocido y galardonado de la historia. Se le considera uno de los pioneros en computación e información cuánticas. Sus trabajos con el físico austriaco Peter Zoller han demostrado, entre otras cosas, que los ordenadores cuánticos son posibles.

La grandeza de la ciencia es que puede comprender sin necesidad de intuir, pero ¿cómo intuir la física cuántica? No hay observadores cuánticos. La física relativista es mucho más intuitiva…
Desde luego. Para captar la relatividad basta con aceptar un par de principios que todo el mundo puede entender: la velocidad de la luz es constante y no hay sistemas de referencia privilegiados. La física cuántica tiene unos principios mucho más complicados y alejados de nuestra experiencia directa de la realidad.

La primera revolución cuántica empezó en Europa con físicos como Einstein, Max Planck, Niels Bohr… pero hoy vivimos la segunda revolución cuántica. ¿En qué consiste?
La segunda revolución cuántica se refiere a la consideración de ciertas propiedades de la física cuántica que sabíamos que existían, pero que hasta ahora no controlábamos. Y, desde que nos interesamos por ella, no hemos dejado de percibir nuevas aplicaciones: en la computación, en la comunicación, en la física de materiales… Los frutos de la primera revolución no han estado nada mal: la física nuclear, el láser o la electrónica. La segunda revolución cuántica está interesando mucho en Europa, EE.UU., China, Japón, Australia porque sus frutos marcarán la industria y la economía del futuro. No sabemos cuánto tiempo va a tomar aún, pero nadie duda de que los beneficios en la economía y en la sociedad valdrán la inversión que se haga en ellos.

¿Podemos presumir ya de algún logro concreto?
Sí, aunque todavía no son demasiado espectaculares. Tenemos sistemas de comunicación cuánticos muy fiables para encriptar la información que transmitimos. Existen empresas que ya venden estos sistemas criptográficos. Son muy seguros para enviar información a 10 o 20 kilómetros de distancia, aunque aún son caros y sin demasiado mercado. Pero insisto: son ya sistemas mucho más seguros que los que utilizamos actualmente para hacer compras por internet. También construimos relojes atómicos de gran precisión que se utilizan en los GPS y para hacer medidas muy delicadas. Hay que mencionar los detectores de gradientes de gravedad que sirven para localizar irregularidades geométricas bajo el suelo. Pero las grandes promesas siguen siendo los ordenadores y los simuladores cuánticos.

Una encriptación así, blindada a prueba de bomba, es una noticia muy buena para el que paga vía internet pero muy mala para una agencia de inteligencia que vigila actividades criminales en la red.
Pues sí. Todo el que paga por internet comprende la importancia de que no le roben datos de su cuenta bancaria. Las aplicaciones positivas son muchas más, por ejemplo: algo tan difícil como la generación de números totalmente aleatorios. Es algo que se usa mucho en toda clase de simulaciones.

Son los dados perfectos, sí. La segunda revolución cuántica se basa en el principio de superposición…
Sí. Y en una de sus consecuencias, los estados entrelazados: un conjunto de partículas entrelazadas (en su término técnico en inglés, entangled) no puede definirse como partículas individuales con estados definidos sino como un único sistema cuántico global.

…una idea que no tiene equivalente en la física clásica. También puede ser útil para mejorar la invención de materiales que no existen espontáneamente en la naturaleza, digamos materiales a la carta.
Eso es. Es lo que se llama materiales cuánticos artificiales. Supongamos que proyectamos construir un avión, un edificio o una simple lavadora. Con la ayuda de un ordenador se puede saber si el ingenio va a funcionar o no.  Sin embargo, no somos capaces de simular el comportamiento de un sistema formado por solo 100 átomos. El cálculo es totalmente inabordable con los ordenadores actuales. Pero es algo que pronto podremos hacer. Hay materiales que tienen propiedades que no sabemos por qué las tienen. Un ejemplo es la superconductividad a alta temperatura, cuyo mecanismo hoy se nos escapa todavía. La razón está en que los modelos que describen estos fenómenos no se pueden resolver con los ordenadores usuales. Nuestra esperanza es que los nuevos métodos también arrojarán luz sobre ello. Los ordenadores cuánticos y los simuladores cuánticos abren horizontes para la investigación de propiedades especiales y exóticas de los materiales.

Richard Feynman fue un físico legendario que anticipó muchos aspectos de la segunda revolución cuántica en unas conferencias que todavía hoy se recuerdan: nanotecnología, computación y comunicación cuántica, física de materiales y también la simulación como una nueva manera de comprender la realidad. Esto cambia incluso el método científico.
Claro, uno puede conocer perfectamente la teoría y sus ecuaciones fundamentales, pero si estas no se pueden resolver, cualquier predicción se hace imposible. La simulación es entonces el único camino. Es una nueva posibilidad que antes ni siquiera podíamos imaginar. Un ejemplo muy conocido está en esos teoremas matemáticos que no se sabe cómo demostrar, pero que sabemos que tienen un número finito de alternativas (aunque este sea muy grande). No se pueden demostrar analíticamente pero sí con un simulador.

Te refieres a problemas como el que se pregunta cuántos colores hacen falta para dibujar cualquier mapa…
.... por ejemplo, sí. Un ordenador potente puede demostrar el teorema recorriendo todas las posibilidades. Ahora imagínate que hay demasiadas y solo un ordenador cuántico lo puede demostrar. ¿Te creerías el resultado? Para ello hay que aceptar que la física cuántica es correcta.

“La tarea del simulador es sobre todo verificar lo que dicen las leyes, no tanto encontrarlas”

La simulación no tiene aún la credibilidad de un experimento o de una teoría. Si un simulador encuentra que una partícula viaja a más velocidad que la luz, la emoción no será la misma que si esa partícula se observa en un acelerador. ¿Crees que alguno de los problemas pendientes de la física, como la unificación de la gravitación y la cuántica, quizá se resuelva antes vía simulador que por medio de una teoría nueva como la de las supercuerdas?

No, yo creo que no. La simulación permite más verificar que descubrir. Existen algunas teorías que pretenden explicar la gravedad a través de un cuerpo sólido. La esperanza es que de este modelo emerjan las leyes de la gravitación y eso, a su vez, equivaldría a entender la unificación entre gravedad y cuántica. Pero la tarea del simulador es sobre todo verificar lo que dicen las leyes, no tanto encontrarlas.

Existen métodos de simulación clásica, como el de Montecarlo, que ya permiten resolver problemas de física estadística clásica y cuántica con solo unos centenares de partículas. ¿Qué añadiría un simulador cuántico a esos logros? ¿Tratar sistemas de muchas más partículas?
Su aportación no sería tratar una cantidad mayor de partículas, sino resolver problemas que ahora no sabemos simular de ninguna manera. El método de Montecarlo resuelve problemas de mecánica estadística cuántica, es cierto, pero no puede con otros mucho más sencillos. Te pongo un ejemplo: una molécula de cuatro átomos con varios electrones. Intentemos ahora calcular cuál es el estado fundamental de menor energía. El método de Montecarlo no funciona y los otros procedimientos que se han probado solo dan aproximaciones. Esta es la clase de problemas ante los que un simulador cuántico se queda solo. Otro ejemplo muy claro lo encontramos con las reacciones químicas de cierta complejidad, o en los materiales frustrados, materiales magnéticos cuánticos, superconductores de alta temperatura, muchas cuestiones de la física de altas energías. En todos esos casos el simulador cuántico es por ahora la única esperanza.

Hay teorías con aspectos muy difíciles de verificar. Pienso, por ejemplo, en Darwin y en su selección natural. Los tiempos son tan largos y las variaciones al azar tan grandes que resulta casi imposible observar o simular la emergencia de una nueva especie. Simular la evolución biológica con un ordenador cuántico tendría su gracia…
¿Por qué no? Muchas cosas que no se pueden simular con ordenadores clásicos se pueden simular con ordenadores cuánticos. Además, un simulador cuántico puede acelerar mucho cualquier proceso clásico. De momento no sabría cómo simular la evolución biológica, pero es una cuestión abordable.

¿Dónde está el tapón que nos impide disfrutar ya de ordenadores cuánticos?
El límite está todavía en el hardware.  Su problema es que son muy delicados. Cualquier perturbación destruye la computación. Hemos construido ciertos prototipos pequeños, pero cuando intentamos hacerlos más grandes se presenta el problema de su aislamiento. Hay mucha gente investigando el problema. Por otra parte, ya sabemos cómo han de funcionar los sistemas operativos de estos ordenadores, pero queda mucho por explorar respecto de su programación. Queda mucho por explorar.

“Muchos aspectos de la inteligencia artificial mejorarían con los ordenadores cuánticos”

Supongamos que tenemos los ordenadores cuánticos. Además de un avance cualitativo, ¿podremos hablar también de un salto cualitativo? ¿Un ordenador cuántico estará más cerca de pensar de verdad?
No lo sé. Lo que veremos es más bien una aceleración de los procesos. Ahora se habla mucho del aprendizaje de los ordenadores (machine learning) y seguro que  muchos aspectos de la inteligencia artificial mejorarían sensiblemente con los ordenadores cuánticos. Decir que los nuevos ordenadores conseguirán pensar de verdad porque utilizan otras leyes de la física es algo muy aventurado.

Los ordenadores cuánticos tampoco sabrán romper sus reglas…
No, les va a pasar algo muy parecido. Pero atención, hay alguna especulación interesante respecto de una ulterior generación de ordenadores que sí podrían romper sus propias reglas. Su autor es un físico llamado John Preskill. Según él la gravitación cuántica dará lugar a una tercera edad de los ordenadores que, estos quizá sí, romperán todos los límites.

En la comunicación y la computación cuántica convergen dos grandes teorías: la física cuántica y la teoría matemática de la información de Claude Shannon. Fecunda convergencia…
La teoría de Shannon está en la raíz de toda la comunicación y de los ordenadores actuales. Se usa también para el control del ruido y de los errores. La física cuántica es la teoría en la que descansa la esperanza de construir estos nuevos ordenadores en el futuro. ¿Por qué es tan importante la teoría matemática de la información de Shannon en la segunda revolución cuántica? Su dificultad está en protegerlos de las perturbaciones electromagnéticas externas para evitar errores. Debemos asegurarnos de que el sistema no interaccione con ningún agente externo durante el tiempo de computación. Cuanto más grande sea el ordenador, más importante será este problema. En los años 90 se llegó a pensar que esta dificultad era definitiva, que el ordenador cuántico era imposible. Si no se puede evitar que los errores ocurran, aún queda otra solución: corregirlos. Y eso es lo que se desprende de la teoría de Shannon, la corrección de errores. Por eso pueden existir los ordenadores cuánticos. Estamos a punto de conseguirlo.

Donde no llegue el aislamiento físico puede llegar la matemática.  Me recuerda la teoría de la máxima entropía que propuso E.T. Jaynes en los años 50 para rescatar información del ruido.
A eso me refería. Cuando hay redundancia que aún conserva algo de información, esta se puede recuperar con técnicas matemáticas. Cuando el error está por debajo de cierto umbral, aún hay solución. Nuestra lucha está en conseguir ese umbral.

La segunda revolución cuántica traerá consigo otras revoluciones: industrial, económica, social…
Estas revoluciones siempre resultan más importantes de lo que se puede ver cuando están ocurriendo. De momento, lo que sí se ve claramente en campos como la comunicación, la computación y los nuevos materiales. También en sistemas de diagnóstico médico cada vez menos invasivos, más sensibles y más precisos. Se está consiguiendo medir incluso la temperatura local que hay ¡en el interior de una célula!