El leonés Sergio Boixo lidera el equipo desarrollador
El chip cuántico de Google con sello leonés
Boixo presenta Willow, el nuevo avance del gigante tecnológico que acerca a los científicos a construir un ordenador cuántico, una tecnología prometedora que ayudará a dar un salto en la ciencia en temas como el desarrollo de nuevos materiales, energía o medicina
El leonés Sergio Boixo, director científico de Teoría de Información Cuántica de Google.
Imaginar un mundo sin tecnología parecería imposible. Televisiones, ordenadores, ‘smartphones’ y relojes inteligentes forman parte de nuestro día a día y se han convertido en un imprescindible para trabajar y comunicarnos. Detrás de estos productos tecnológicos se encuentra la mecánica cuántica, una disciplina descubierta hace más de 100 años que sirvió de base para el desarrollo de la mecánica y la física del siglo XX.
La mecánica cuántica se trata de una rama de la física contemporánea enfocada en el estudio de la materia a nivel del átomo y las partículas que lo componen, así como de los movimientos que la caracterizan. Artículos tecnológicos como los láseres y las pantallas planas son el producto del desarrollo de esta disciplina durante el siglo XX en una etapa denominada por los expertos como la ‘primera revolución cuántica’. Todos ellos tienen en común que poseen chips formados por semiconductores, unos materiales que precisan mecánica cuántica para su desarrollo.
Hace más de 30 años, se propuso una teoría que pretende aplicar las leyes de la mecánica cuántica a la computación para resolver problemas complejos que los superordenadores actuales – denominados clásicos en el argot — no son capaces de procesar. Para entender la importancia de esta tecnología emergente, se debe tener en cuenta el funcionamiento de un ordenador clásico. Estas máquinas funcionan con un código binario, es decir, 0 o 1, que dependen de la tecnología de transistores y se basan en los bits.
Por el contrario, la computación cuántica tiene como unidad básica de información el qubit, cuya principal característica es su capacidad de superposición. Esto quiere decir que este puede ser uno y cero a la vez y en diferente proporción, a diferencia de un bit que solo puede adoptar un valor al mismo tiempo (0 o 1). Esta característica abre un mundo de posibilidades para la resolución de problemas complejos que no es capaz de realizar un superordenador clásico. Para lograr esta hazaña, se necesita crear un ordenador cuántico, una invención todavía en marcha y para la que habrá que esperar unos años para que vea la luz.
En este sentido, una nueva invención de Google con sello leonés ha acercado al mundo a tener más cerca esta tecnología. Se trata de Willow, un chip cuántico, que cabe en una mano, desarrollado por un equipo de científicos y liderado por el leonés Sergio Boixo, director científico de Teoría de Información Cuántica de Google. «Google lleva diez años trabajando en computación cuántica, aunque como campo existe desde hace 30 años. Desde hace años es un grupo pionero en el mundo de la computación cuántica. Para llegar a Willow, ha sido fundamental la creación de una fábrica de chips en Santa Bárbara (California, Estados Unidos). Eso nos ha permitido avanzar respecto al pasado chip presentado en 2019. Se trata de una fábrica de chips superconductores, chips cuánticos. Es una de las pocas fábricas en el mundo especializadas en chips superconductores, es decir, enfocada en la producción de procesadores cuánticos. Eso ha sido una de las claves. Por otra parte, también ha habido avances en diseño, teoría, corrección de errores, etc.», explica Sergio Boixo desde su despacho en las oficinas de Google en Los Ángeles.
«Google lleva años trabajando en computación cuántica, aunque existe desde hace 30 años»
Boixo cuenta que para la fabricación de los chips emplean procesos «similares a los de los ordenadores clásicos, ya que hacemos microfabricación de chips». Sin embargo, la mayor diferencia es «los materiales utilizados». «Los chips que se utilizan para los ordenadores clásicos utilizan materiales semiconductores y los chips que nosotros hacemos se componen de materiales superconductores. Los materiales son distintos. Son superconductores para que se comporten cuánticamente», aclara el leonés. «El diseño también es distinto. En los ordenadores clásicos, se diseñan bits o transistores. Un bit es un 0 o 1, como un botón, en un ordenador clásico. En un ordenador cuántico, se utilizan qubits (bits cuánticos). La diferencia es que ya no es un interruptor que puede estar en 0 o 1, sino que un qubit es una especie de átomo artificial que puede estar en superposición. Esto significa que puede estar en 0 o 1 a la vez», agrega.
El chip cuántico Willow cabe en una mano.
La corrección de errores
Aunque parezca banal, la corrección de errores es uno de los grandes desafíos al que se enfrentan los científicos a la hora de desarrollar un ordenador cuántico. Un error es cualquier fluctuación, es decir, algo que pueda afectar al estado y haga que un ordenador se comporte de forma clásica. La corrección de errores consiste en una técnica que busca que cuanto más grande sea el ordenador, más cuántico se comporte.
«Un ordenador cuántico se compone de muchos qubits, pero es fundamental que cuando se juntan estos bits cuánticos se sigan comportando cuánticamente. Los bits pueden estar en 0 o 1, pero los bits cuánticos pueden estar en ambos estados (superposición). Esto es algo que no tiene explicación clásica y, por ello, no lo puede hacer un ordenador clásico. La idea en un ordenador cuántico es juntar muchos qubits que tengan esa capacidad de superposición y esa capacidad dure mucho tiempo. El problema es que al juntar varios átomos se pierden las propiedades cuánticas. En la naturaleza, los objetos cuánticos son microscópicos, como el caso de los átomos, pero cuando juntas muchos objetos cuánticos dejan de comportarse cuánticamente y se comportan clásicamente. Esta es la dificultad fundamental de hacer un ordenador cuántico. El avance que hemos conseguido con Willow es lograr por primera vez que al juntar más qubits se comporte más cuánticamente. Esto es lo que hace especial a Willow, ya que nunca había pasado y en la naturaleza no sucede así. Esto nos acerca mucho a tener un ordenador cuántico», afirma el leonés.
«Hasta ahora a los qubits los llamamos físicos y no lógicos porque esta superposición dura un tiempo limitado»
Actualmente, el grupo de Boixo se encuentra inmerso en dos líneas de trabajo. Por un lado, Willow les ha permitido demostrar esa propiedad, ya que es la primera vez que ocurre desde que se propuso. Y, ¿cuál será el siguiente paso? El qubit lógico.
«Hasta ahora a los qubits los llamamos físicos y no lógicos porque esta superposición dura una cantidad limitada de tiempo. Aunque hemos conseguido mantener esa superposición, la cantidad de tiempo es todavía muy limitada. Cuando consigamos que esto dure más tiempo por ejemplo un millón de operaciones. Eso es lo que llamaremos un ‘qubit lógico’ que será como un transistor cuántico. El primer transistor ya lo tenemos, pero ahora hay que juntar más. Esa es la investigación fundamental en la que nos estamos centrando ahora y creemos que en un par de años seremos capaces de fabricar el primer qubit lógico. Una vez logrado eso no tendremos todavía el ordenador cuántico con el que puedas hacer programas de miles de millones de operaciones lógicas, pero sí la pieza fundamental», avanza.
Detalle de Willow.
Primeras aplicaciones
La otra línea que está en desarrollo paralelamente son las aplicaciones. Boixo detalla que «a largo plazo, la razón por la que queremos hacer un ordenador cuántico es porque toda la química y la física moderna del siglo pasado se basan en mecánica cuántica».
«Uno de los desafíos es que esta mecánica cuántica no la puedes simular con un ordenador clásico. Lo que hemos visto en los últimos treinta años es que con un ordenador cuántico podríamos simular la mecánica cuántica y, por tanto, simular la física y la química. Un caso podría ser el de las baterías para un coche eléctrico. Para producir una batería, esta debe ser eficiente. Para crearla, necesitas un proceso químico. Ahora lo que puedes hacer es escribir la ecuación, pero no la puedes simular. Entonces debes fabricar una batería y hacer un experimento con ella para comprobar si funciona. Si tienes un millón de ideas distintas de cómo cambiar la química de esa batería, debes hacer un millón de experimentos. Eso lleva mucho tiempo. Lo que nosotros queremos hacer con los ordenadores cuánticos es ser capaz de hacer un millón de simulaciones para evitar hacer cada uno de estos experimentos. Este sería el caso con baterías, pero se pueden hacer cosas parecidas con fármacos. Quieres algún fármaco que ayude en algún tipo de enfermedad y ahora tienes que hacer muchas pruebas para ver qué fármaco funciona porque no se puede simular cómo actúa. Con un ordenador cuántico podríamos hacer muchísimas más simulaciones», narra
«Uno de los desafíos es que esta mecánica cuántica no la puedes simular con un ordenador clásico (un ordenador normal)»
Por otra parte, a corto plazo ya trabajan en «otro tipo de aplicaciones». «Ahora no tenemos ordenadores cuánticos sin errores, sino procesadores experimentales. Estos ya tienen aplicaciones en ciencia. En nuestro equipo contamos con físicos experimentales que gracias a estos procesadores ya han realizado descubrimientos científicos. Ahora mismo se hacen experimentos de física y otro tipo de cálculos, cuyos resultados estamos publicando una vez al mes. En unos años, se espera que continúen estos experimentos, pero el cambio vendrá con los usuarios. Actualmente, los físicos son los encargados de realizar estos experimentos y próximamente podrán ser empresas o entidades los que utilicen estos aparatos para sus investigaciones como en el caso de las baterías mencionado anteriormente. En unos cinco años, creo que lograremos tener los primeros ordenadores cuánticos de un tamaño ciertamente reducido. Puede que los usuarios no puedan experimentar todavía con temas como las baterías, pero sí serán lo suficientemente sofisticados para que algunos usuarios se conviertan en programadores de ordenadores cuánticos», concluye Sergio Boixo.
Además, el leonés recuerda que un ordenador cuántico no es más rápido que un ordenador clásico, sino que su funcionamiento es diferente y es precisamente eso lo que los hace tan valiosos.
Laboratorio de pruebas de Google en LA.
Su importancia
Entender las posibilidades que ofrece esta tecnología es vital para comprender la importancia de la computación cuántica. Actualmente, esta tecnología tiene cierto impacto y estña muy centrado en el ámbito científico. Hay varias aplicaciones en las que equipos como el de Boixo están trabajando para aprender más sobre la mecánica cuántica, un conocimiento que a la larga tendrá un gran impacto en la sociedad.
Sin embargo, el leonés recuerda que para entender su verdadera relevancia se debe tener en cuenta que la computación cuántica es el germen de «la segunda revolución cuántica», un fenómeno en el que los científicos ya están trabajando.
Su importancia es conocida ya en todos los sectores y, de hecho, la Unesco ha denominado el año 2025 como el ‘Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas’. Al igual que Google, otras grandes tecnológicas se encuentran inmersas en su estudio como es el caso de Microsoft o IBM. Los pronósticos para esta tecnología son optimistas, ya que se prevé que ayudará a dar un salto en la ciencia en temas como el desarrollo de nuevos materiales, energía limpia, tratamientos médicos y otras aplicaciones. Los impulsores del ‘Año Cuántico’ confían en que la iniciativa ayudará a promover las vocaciones de los profesionales que harán realidad estos avances en las próximas décadas. La proclamación de 2025 como el ‘Año Cuántico’ conmemora el centenario del inicio de esta disciplina para poner el foco mediático y concienciar sobre su potencial.
Su desarrollo no solo traerá avances, sino también importantes desafíos que afectarán a numerosas áreas como el de la ciberseguridad. Según las predicciones, la tecnología cuántica podría romper los sistemas criptográficos actuales. No obstante, los expertos son muy conscientes de esta problemática y ya está en desarrollo la criptografía postcuántica que pretender resolver esta cuestión. Sistema como Gmail, el email electrónico de Google, ya emplea este sistema de criptografía. En los próximos años, se espera que la banca y otros sectores estratégicos adopten también este sistema y continúe su desarrollo.
El leonés Sergio Boixo.
De consultor informático en el BCE a director en Google en L.A.
Tras esta etapa, Boixo cuenta que se estuvo planteando hacia donde orientar su carrera. «En aquel momento era un joven ingenuo y logre ahorrar dinero así que pensé en qué era lo que más me gustaría hacer y lo que más me llamaba la atención era hacer ciencia. Todavía no sabía si iba a hacer una carrera científica, pero sí que quería hacer un doctorado y satisfacer esa curiosidad científica. Fue un poco el inicio. Como no había tenido la experiencia de una carrera científica en mi familia tampoco sabía qué me esperaba», avanza.
«La computación cuántica ya es algo que me llamaba la atención incluso antes de estar en Alemania. Durante la carrera universitaria de ingeniería informática en Madrid, que fue mi primera carrera que compaginé con Filosofía en la UNED, me interesaba la parte más teórica de la informática, la computación, como fue el caso de la teoría de la complejidad. En ese momento, empezaban a salir los primeros artículos que hablaban de que había algunos problemas de simulaciones que solo se podían resolver con un ordenador cuántico. Empezaron a surgir esas primeras teorías en 1994 aproximadamente. Me pareció muy interesante que la mecánica cuántica pudiera tener un impacto tan fundamental en la informática. Una de las cosas más importantes de los ordenadores cuánticos es que no son ordenadores más rápidos, sino con un funcionamiento diferente. Los procesadores experimentales que tenemos ahora no pueden competir en velocidad con los ordenadores clásicos que llevamos treinta años con ellos y muchos millones de inversión para optimizarlos. Desde el punto de vista de la teoría de la computación, la idea de que hubiera una forma diferente de hacer computación me parecía increíble. Cambia totalmente el paradigma de lo que es un ordenador. En ese momento, eso era solo teoría. Cuando llegó el momento de hacer el doctorado me acordé de aquello porque siempre me gustó», añade.
Antes de dar su salto a Google, su carrera le llevó a varios sitios como el Laboratorio Nacional de Los Álamos. Además, ha recibido importantes becas como una de la Fundación la Caixa en 2004 y otra de la Fundación Mutua Madrileña en 2008. Su primera investigación postdoctoral la realizó en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) y otra en Harvard. En 2011, pasó a la Universidad del Sur de California, donde centró sus investigaciones en la computación cuántica y comenzó a trabajar con el primer procesador cuántico comercial de la historia. En 2013, dio el salto definitivo tras unirse al equipo de computación cuántica de Google.
Influencias y futuro
Uno de los momentos que más le han marcado en su trayectoria profesional fue antes de entrar en la Universidad. «Cuando tenía 16-17 años estuve en un pueblecito en el estado de Illinois en Estados Unidos. Fue una experiencia de un año donde estabas con una familia para aprender inglés. Es algo que todavía es bastante común. Yo fui a un pueblo granjero y ganadero y a final de verano apliqué a un programa de Harvard. Este consistía en un curso dirigido a estudiantes para que puedan conocer la Universidad y probar asignaturas. En Estados Unidos, estas iniciativas son bastante comunes», detalla.
«Fue una experiencia muy optimista. Creo que sí me influyó porque cuando vienes de León siempre te imaginas Harvard como un mundo totalmente distinto y no te imaginas que la gente que está allí es como tú. Hay gente muy lista, pero la hay en más sitios. Creo que lo más importante de este tipo de experiencias es que te hace ser más ambicioso en tu trayectoria. Te hace pensar que puedes tener un impacto en la sociedad. En Harvard, hay gente muy relevante en su campo y te atreves a pensar que puedes cambiar el mundo. Si nadie de tu familia ha ido a la Universidad, entonces te parece que es muy difícil. No obstante, si estás con gente universitaria, lo ves más de cerca. Esto es lo mismo. La gente que está en Harvard es como la gente que está en León», agrega.
En un futuro, se ve continuando su carrera profesional en la computación cuántica. «Quiero seguir dedicándome a ello porque el proyecto en el que llevamos embarcados varias décadas, construir un ordenador cuántico sin errores y del que empecé a saber de él cuando estaba haciendo informática, vamos a ser capaces de hacerlo durante mi carrera profesional. Es un proyecto en el que quiero continuar», cuenta Boixo.
Para alguien que quiera hacer física, Boixo le recomienda sobre todo «tener vocación y curiosidad por comprender el mundo». «Creo que es importante estudiar física porque te explica los fundamentos del mundo material. Si quieres entender cómo funciona el mundo, este se rige por las reglas de la física y a su vez en la mecánica cuántica. También es importante dejar la puerta abierta a todo tipo de posibilidades para tener siempre esa ambición. La física te proporciona una serie de técnicas y conocimientos que te pueden ayudar en otros campos», concluye.