La carrera cuántica: del militarismo a la privatización de internet

27 de julio, 2021

Prototipo de computadora cuántica basada en la luz en Jiuzhang, China. Con este ordenador, China ha tomado ventaja en la carrera cuántica.
Prototipo de computadora cuántica basada en la luz en Jiuzhang, China. Con este ordenador, China ha tomado ventaja en la carrera cuántica.

China está ganando la delantera frente a EEUU en la carrera cuántica. La semana pasada, anunció haber superado al ordenador cuántico más avanzado de Google. Mientras, IBM empezó a instalar en Alemania un gran proyecto de desarrollo de ordenadores cuánticos anunciado a bombo y platillo por el gobierno alemán, que asegura que generará 75.000 millones de euros de «valor». El conflicto imperialista se juega en varios campos a la vez. Las tecnologías de la información y en particular la carrera cuántica están entre los principales.

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Carrera cuántica: ¿una nueva versión de la carrera espacial?

China demostró haber tomado ventaja en la carrera cuántica al comunicar el satélite Mozi con una estación en tierra en la provincia de Hubei
China demostró haber tomado ventaja en la carrera cuántica al comunicar el satélite Mozi con una estación en tierra en la provincia de Hubei

Uno de los primeros aspectos que resaltan los medios sobre esta carrera tecnológica entre potencias es su similitud con la carrera espacial de la guerra fría:

Las tensiones entre EEUU y China están actualmente en su punto más alto en décadas, con los países en conflicto por el comercio, los derechos humanos, la preocupación por el espionaje, la COVID y Taiwán. Tras la demostración del satélite Mozi [墨子] por parte de China en 2017, los políticos estadounidenses respondieron destinando cientos de millones de dólares a la ciencia de la información cuántica a través de la Iniciativa Nacional Cuántica. Fue un inquietante déjà vu. Unos 60 años antes, Estados Unidos se vio empujado a financiar otra iniciativa de gran envergadura -la exploración espacial- por el miedo a un pequeño satélite soviético llamado Sputnik.

Y realmente no van desencaminados, de hecho, los proyectos de computación cuántica y planes espaciales -de los que intentaron echar a Suiza, Reino Unido e Israel recientemente- van ligados para la UE, y en EEUU son los técnicos de la NASA los que dirigen la carrera cuántica. Pero, ¿qué tiene de especial la computación cuántica para interesar a tantas potencias mundiales y mover tantas inversiones? Todo se basa en las características algo estrafalarias de la materia a una escala increíblemente pequeña.

Una introducción básica

Core del ordenador cuántico de Google. EEUU está quedando atrás en la carrera cuántica.
Core del ordenador cuántico de Google. EEUU está quedando atrás en la carrera cuántica.

En un ordenador digital clásico, las operaciones lógicas se basan en estados binarios: 0 o 1 y, a primera vista, este también es el caso en los sistemas de partículas que usa un ordenador cuántico.

Un electrón, por ejemplo, puede encontrarse al ser medido en 2 estados posibles, que se conocen como espín arriba (o up) o abajo (o down). Así es como se encuentran rodeando el núcleo de los átomos, cada órbita compuesta por pares de electrones de espín opuesto.

Sin embargo, los resultados experimentales no concordaban con esta explicación bien ordenadita del mundo microscópico. Aunque las partículas siempre sean de espín arriba o abajo en el momento de la medición, fuera de ese momento su comportamiento es más parecido a una mezcla de ambos estados extremos, lo que se conoce como una superposición.

Una de las maneras posibles de representar este rompecabezas consistió en dejar de lado los métodos matemáticos de la mecánica clásica y adoptar como representación los sistemas de vectores y geometrías especiales.

Generalmente se usa una representación geométrica sencilla para explicar los fenómenos cuánticos y las operaciones de los ordenadores cuánticos. Los dos estados mutuamente excluyentes se representan en los polos opuestos de un círculo de radio 1 y su superposición se representa como un punto cualquiera en esta circunferencia (figura A en el gráfico de abajo).

Así pues, cualquier punto se puede representar como la combinación (vectorial) de ambos estados multiplicados por un coeficiente cada uno (en el caso de un sistema cuántico, estos coeficientes representan la probabilidad de que, al ser medido, el sistema se encuentre en espín arriba o abajo). Una consecuencia salta a la vista inmediatamente, y es una de las principales ventajas de la computación cuántica: hay infinitos puntos en la circunferencia y el sistema podría hacer cálculos inmensos en paralelo a través de la superposición.

En realidad, los estados cuánticos no se pueden representar usando la geometría normal -euclídea- de toda la vida, y se debe usar una extensión especial de la geometría que conlleva cambiar nuestro círculo por una esfera, la esfera de Bloch. La esfera funciona igual que el círculo, y los estados cuánticos se representan como puntos en su superficie.

Así pues, los estados solapados, superpuestos, de las partículas que manipulan los ordenadores cuánticos se representan gráficamente como vectores que apuntan a puntos sobre una esfera, y todas las puertas lógicas que usan los ordenadores se basan en cambios del estado de superposición que equivalen a traslaciones de esos puntos sobre la esfera (como puede verse en la figura C).

Figura 1: a) izquierda: representación de los dos estados mutuamente excluyentes de una partícula al ser medida (espín por ejemplo) como vectores antiparalelos. Derecha: superposición de ambos estados (combinación de ambos vectores dando puntos intermedios en la circunferencia). b) Esfera de Bloch, situación equivalente a la del círculo, pero con dos ángulos. c) Resultado experimental mostrando el «movimiento» de los estados sobre la esfera al aplicar varias puertas lógicas. Imagen c) adapatada de https://link.springer.com/article/10.1007/s40509-019-00198-2/
Figura 1: a) izquierda: representación de los dos estados mutuamente excluyentes de una partícula al ser medida (espín por ejemplo) como vectores antiparalelos. Derecha: superposición de ambos estados (combinación de ambos vectores dando puntos intermedios en la circunferencia). b) Esfera de Bloch, situación equivalente a la del círculo, pero con dos ángulos. c) Resultado experimental mostrando el «movimiento» de los estados sobre la esfera al aplicar varias puertas lógicas. Imagen c) adapatada de https://link.springer.com/article/10.1007/s40509-019-00198-2/

Criptografía y carrera cuántica

La UE no quiere quedar al margen de la carrera cuántica. En la foto presentación del programa de investigación estratégica ligado a los fondos europeos para investigación cuántica.
La UE no quiere quedar al margen de la carrera cuántica. En la foto presentación del programa de investigación estratégica ligado a los fondos europeos para investigación cuántica.

¿Para qué sirve todo este desarrollo teórico? Una de las aplicaciones cuánticas que más interesan a los militares de la carrera cuántica se puede explicar con lo que ya hemos expuesto.

Un par de estados (vectores) basta para producir todos los puntos del círculo y a este par se le llama una base. En partículas que se usan para enviar señales, como los fotones, se pueden usar una serie de bases diferentes para codificar la señal superponiendo los estados al enviarla. Lo importante es que para poder leer correctamente una partícula enviada como señal a un receptor hay que conocer sobre qué base se ha codificado la información, sino uno acaba obteniendo un resultado completamente azaroso.

Sobre este mismo principio se basa una serie de protocolos de cifrado cuántico famosos que permite enviar información entre dos agentes, con el primer agente cifrando las señales usando bases aleatoriamente y sólo después de que el receptor reciba todos los fotones le comunica parte de las bases usadas.

En estos protocolos cualquier interferencia o escucha es inmediatamente detectada e imposible de esconder. Cualquier espía necesita interactuar con las partículas de la línea para poder escuchar la conversación, pero al hacerlo la superposición de estados desaparece y -al no conocer de antemano la base sobre la que se cifró cada una- desvía necesariamente los resultados esperados por el receptor si no hubiese nadie escuchando.

El primer objetivo de lo grupos de investigación en la carrera cuántica es criptográfico: realizar comunicaciones a prueba de los sistemas de intercepción y cifrado del rival.

¿Cómo se construye un ordenador cuántico?

La utilidad -al menos para los militares- de la carrera cuántica está clara. Y todo pasa por crear un sistema de manipule los estados cuánticos de las partículas. Pero la manera de construir un aparato capaz de hacerlo es otra cuestión.

Los ordenadores clásicos no manipulan electrones individuales y hacerlo con los ordenadores cuánticos es sumamente complicado. Convendría poder tener una megapartícula que fuese fácilmente manipulable y estable en un circuito para jugar con ella a través de un truco físico. Eso es exactamente lo que hacen varios de los ordenadores cuánticos más potentes como los de IBM.

Antes dijimos que los electrones no soportan encontrarse en grupos de más de dos para el mismo nivel de energía, como cuando forman las órbitas ordenadas de los átomos o se mueven libremente en forma de nube desordenada. En realidad ésto solo es cierto a medias.

Si bajamos brutalmente la temperatura a valores cercanos al 0 absoluto, los electrones libres que circulan por un metal cambian completamente de comportamiento, se juntan todos en el mismo nivel de energía y se empiezan a comportar como una megapartícula inmensa en lo que se conoce como superconductividad.

Usando las mismas herramientas que se usan para los chips de silicio y microimprimiendo cuidadosamente puentes e intersecciones (ver figura 2 a,b) se puede construir un sistema cuántico que es el equivalente a un sistema con un solo electrón pero a una escala mucho más grande y manipulable.

Figura 2. a) Ordenador cuántico sino-japonés con qubits de superconductividad. Los qubits no son los círculos grises, sino las pequeñas cruces naranjas en las intersecciones. Cada qubit está interconectado con sus vecinos a través de resonadores para que puedan hacer interferencia y entrelazamiento entre ellos. b) Diagrama de una unidad con 4 qubits. c) los dos estados basales del qubit. A y b adapatados de https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948 , c de https://sambader.net/wp-content/uploads/2013/12/Transmon_Paper.pdf
Figura 2. a) Ordenador cuántico sino-japonés con qubits de superconductividad. Los qubits no son los círculos grises, sino las pequeñas cruces naranjas en las intersecciones. Cada qubit está interconectado con sus vecinos a través de resonadores para que puedan hacer interferencia y entrelazamiento entre ellos. b) Diagrama de una unidad con 4 qubits. c) los dos estados basales del qubit. A y b adapatados de https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948 , c de https://sambader.net/wp-content/uploads/2013/12/Transmon_Paper.pdf

Estos qubits (bits cuánticos) poseen dos estados cuánticos que se pueden superponer como los de un electrón gracias a los pulsos de microondas que envían las puertas lógicas (XYZ en la figura, se refieren a rotaciones alrededor de los ejes de la esfera de Bloch).

Pero el verdadero poder de un ordenador cuántico no se basa en la capacidad de un qubit individual. Sí, es cierto que un solo qubit puede estar en una superposición con valores enormes, pero al ser medido se pierde toda la información y revierte a 0 o 1.

Los algoritmos cuánticos son la verdadera fuerza de un ordenador cuántico, y se basan en hacer interaccionar varios qubits entre ellos para leer indirectamente las operaciones paralelas que están haciendo algunos qubits a través de la medición de otros qubits que interfieren con ellos.

Poniendo un montón de qubits en paralelo (Figura 3a ) se pueden llevar a cabo varias de las funciones que fascinan tanto a los militares en la carrera cuántica. Controlando qué puertas se aplican a qué qubits a lo largo del tiempo y qué qubits interfieren los unos con los otros se puede llegar a utilizar el poder del solapamiento de estados en algunos qubits para hacer un montón de operaciones en paralelo, como por ejemplo romper cifrados militares basados en logaritmos o números primos grandes.

También, de modo algo más útil a las necesidades humanas, serviría para calcular la similitud entre dos grafos al calcular simultáneamente todos los caminos (Figura 3b).

Figura 3. a) Ejemplo de algoritmo cuántico con 10 qubits. Las líneas horizontales no representan realmente un circuito sino el paso del tiempo, el qubit es inmóvil y se le van aplicando puertas lógicas (cuadrados) secuencialmente y haciendo interaccionar con otros (líneas verticales). b) Resultado de un algoritmo para calcular la similitud entre distintos grafos, el resultado se obtiene a partir de 3 vectores. Imagen a adaptada de https://www.nature.com/articles/s41467-019-13534-2 , b de https://www.nature.com/articles/s41586-021-03202-1
Figura 3. a) Ejemplo de algoritmo cuántico con 10 qubits. Las líneas horizontales no representan realmente un circuito sino el paso del tiempo, el qubit es inmóvil y se le van aplicando puertas lógicas (cuadrados) secuencialmente y haciendo interaccionar con otros (líneas verticales). b) Resultado de un algoritmo para calcular la similitud entre distintos grafos, el resultado se obtiene a partir de 3 vectores. Imagen a adaptada de https://www.nature.com/articles/s41467-019-13534-2 , b de https://www.nature.com/articles/s41586-021-03202-1

Cifrado cuántico y el control del capital sobe las comunicaciones

Sin embargo, por muy atractivo que sea romper códigos ajenos, el principal interés militar y comercial de la carrera cuántica no reside en los ordenadores cuánticos en sí. De hecho, siempre ha habido dudas de su utilidad real, ya que el número de algoritmos en los que muestran una ventaja real sobre los ordenadores clásicos es muy pequeño y constan de poca aplicabilidad para la mayor parte de problemas. Los ordenadores cuánticos actuales están a años luz de un ordenador clásico.

Los algoritmos pueden fascinar a los físicos y teóricos de la computación, pero no compensan ni el coste enorme de mantener el hardware a temperaturas ínfimas ni su coste de fabricación. El interés de la carrera cuántica para el capital es otro.

Usando hardware similar al de los algoritmos y usando otra propiedad sorprendente de la cuántica -el entrelazamiento- un estado se puede distribuir entre varias partículas entrelazadas, haciendo que éstas se puedan usar para comunicar instantáneamente. Estas son las claves cuánticas ultraseguras de las que tanto se habla hoy en día en todo lo que hace referencia a la carrera cuántica.

Cuando se mide una de las dos (o más) partículas entrelazadas, esta pierde su superposición de estados y revierte a 0 o 1 como era de esperar, pero lo interesante es que la otra partícula también es afectada instantánea e independientemente de la distancia y sin que se haya enviado nada entre ambas. Es el sueño de una comunicación imposible de interceptar, y es en este aspecto que los chinos tienen mucha ventaja en la carrera cuántica.

Combinando lo que hemos visto hasta ahora con este nuevo aspecto, los protocolos más avanzados proponen usar una serie de puertas lógicas para -de un modo parecido a la interferencia que vimos arriba- repartir el estado cuántico entre distintas partículas y enviarlos a distintos agentes (figura 4b).

cuantica 4
Figura 4 a) Planes para un “internet cuántico” a través de la distribución centralizada de claves entrelazadas. b) Mecanismo para entrelazar partículas entre ellas a través de una serie de puertas lógicas cuánticas. B adaptada a partir de https://science.sciencemag.org/content/372/6539/259

Y es en esto que el capital realmente está emocionado en plena orgía de inversiones: sueña con poder centralizar la distribución de estas claves para un «nuevo internet cuántico» en manos de cuatro capitales que puedan permitirse las inversiones y tecnología:

Una red cuántica completa aspira a más. No se limitaría a transmitir partículas entrelazadas, sino que «distribuiría el entrelazamiento como un recurso», dice Neil Zimmerman, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, permitiendo que los dispositivos estén entrelazados durante largos periodos, compartiendo y explotando la información cuántica. [...]

Llevando esta idea más allá, algunos también prevén un análogo de la computación en la nube: la llamada computación cuántica ciega. La idea es que los ordenadores cuánticos más potentes estarán algún día ubicados en laboratorios nacionales, universidades y empresas, al igual que los superordenadores actuales.

Es evidente lo que hay bajo la carrera cuántica: toda la gama que va de los usos militares hasta la creación de un nuevo campo de inversión para grandes capitales sin destinos rentables. En el camino: la perspectiva de una concentración aun mayor del control de las comunicaciones. En una palabra: imperialismo.

La carrera cuántica es una muestra más de que el capitalismo de hoy lejos de satisfacer más necesidades humanas y producir desarrollo humano real, solo sabe crear aun más escasez y deformar en su propio interés todos los desarrollos y avances del conocimiento social.