Los ordenadores cuánticos prometen una potencia de cálculo muy superior a la de los actuales superordenadores. Pero además podrían tener otra gran ventaja: el ahorro energético
Los ordenadores cuánticos han suscitado un gran interés últimamente por su potencial para solucionar en pocas horas problemas que los mejores superordenadores podrían tardar el equivalente a la edad del universo (es decir, decenas de miles de millones de años) en resolver. Sus aplicaciones en la vida real son múltiples y van desde el diseño de medicamentos y materiales hasta la resolución de complejos problemas de optimización. Por tanto, se destinan principalmente a la investigación científica e industrial.
Tradicionalmente, la "supremacía cuántica" se busca desde el punto de vista de la potencia de cálculo bruta: queremos calcular (mucho) más rápido.
Sin embargo, la cuestión de su consumo energético también podría justificar ahora la investigación, ya que los superordenadores actuales consumen a veces tanta electricidad como una pequeña ciudad (lo que podría de hecho limitar el aumento de su potencia de cálculo). Las tecnologías de la información, por su parte, representan el 11% del consumo mundial de electricidad en 2020.
¿Por qué centrarse en el consumo de energía de los ordenadores cuánticos?
Dado que un ordenador cuántico puede resolver problemas en unas horas, mientras que un superordenador podría tardar varias decenas de miles de millones de años, es natural esperar que consuma mucha menos energía. Sin embargo, fabricar ordenadores cuánticos tan potentes requerirá que resolvamos muchos retos científicos y tecnológicos, potencialmente a lo largo de una o varias décadas de investigación.
Un objetivo más modesto sería crear ordenadores cuánticos menos potentes, capaces de resolver cálculos en un tiempo relativamente comparable al de los superordenadores, pero consumiendo mucha menos energía.
Este beneficio energético potencial de la computación cuántica ya se ha discutido. El procesador cuántico Sycamore de Google consume 26 kilovatios de energía eléctrica, mucho menos que un superordenador, y ejecuta un algoritmo cuántico de prueba en segundos. Tras el experimento, los científicos propusieron algoritmos clásicos para simular el algoritmo cuántico. Las primeras propuestas de algoritmos clásicos requerían mucha más energía, lo que parecía demostrar la ventaja energética de la computación cuántica, pero pronto les siguieron otras propuestas, mucho más eficientes desde el punto de vista energético.
Por tanto, la cuestión de la ventaja energética sigue siendo discutible y es un tema de investigación abierto, sobre todo porque el algoritmo cuántico realizado por Sycamore no tiene ninguna aplicación 'útil' identificada hasta la fecha.
Superposición: el frágil fenómeno en el corazón de la informática cuántica
Para saber si se puede esperar que los ordenadores cuánticos proporcionen una ventaja energética, es necesario comprender las leyes fundamentales según las cuales funcionan.
Los ordenadores cuánticos manipulan sistemas físicos denominados qubits (por quantum bits) para realizar un cálculo. Un qubit puede tomar dos valores: 0 (el "estado básico", de mínima energía) y 1 (el "estado excitado", de máxima energía). También puede ocupar una superposición de 0 y 1. La forma de interpretar las superposiciones sigue siendo objeto de acalorados debates filosóficos, pero simplificando, significa que el qubit puede estar tanto en el estado 0 como en el estado 1 con ciertas "amplitudes de probabilidad" asociadas.
Gracias a estas probabilidades, podemos simplificar mucho el principio del ordenador cuántico diciendo que implementa algoritmos que realizan cálculos sobre varios números 'a la vez' (en este caso 0 y 1 al mismo tiempo). Esta ventaja se hace evidente cuando se aumenta el número de qubits: 300 qubits en superposiciones son capaces de representar 2 a la potencia de 300 estados al mismo tiempo. Como ejemplo, este es aproximadamente el número de átomos del universo observable, por lo que representar tantos estados a la vez en un superordenador es completamente irreal.
Sin embargo, los fundamentos de la teoría cuántica nos dicen que si los valores de estas amplitudes de probabilidad son 'medidos' por otro sistema físico, entonces la superposición se destruye: el qubit se distiende al valor de 1 o 0, introduciendo así un error en el cálculo.
Un ejemplo concreto de tal destrucción es cuando el qubit absorbe un fotón (una partícula de luz que es un pequeño paquete de energía). Si este es el caso, es porque no estaba en su estado de máxima energía (ya que puede absorber energía, la del fotón). El fotón, y por tanto a través de él el 'entorno' del qubit, ha 'encontrado' indirectamente el valor de las amplitudes, lo que destruye la superposición. Esto se llama "decoherencia".
En general, el reto consiste en garantizar que los qubits estén suficientemente aislados para evitar cualquier fuga de información, no podemos permitir que un fotón u otra partícula perturbe nuestro qubit. Esto es un reto porque los qubits también deben ser controlables: no pueden estar completamente aislados.
Esta falta de protección es la principal fuente de errores en los cálculos basados en qubits. Por ejemplo, una de las tecnologías de qubits más maduras se encuentra con un error cada 1.000 operaciones. Si se tiene en cuenta que un algoritmo cuántico típico requiere 10¹³ operaciones, se puede ver que esto es demasiado.
Preservar las superposiciones tiene un coste energético
El coste energético de la computación de un ordenador cuántico vendrá sobre todo de esta necesidad de protección de los datos cuánticos. Por ejemplo, a menudo es necesario establecer el entorno de los qubits cerca del cero absoluto (-273°C) para asegurar que ningún fotón puebla este entorno, evitando el problema mencionado anteriormente. Se trata de un proceso que consume mucha energía.
Algunas otras técnicas, como la corrección de errores cuánticos, también preservan la información cuántica y pueden mejorar la fidelidad de las operaciones. Sin embargo, además de los retos que plantean, estas técnicas también tienen un coste energético muy elevado porque implican algoritmos de detección de errores, o qubits adicionales para la detección de errores, etc.
En resumen, cuanto más precisa queramos que sea una operación realizada en un qubit, más habrá que protegerlo, y más energía tendremos que gastar para ello. Existe un vínculo muy fuerte entre tasa de error y energía en la computación cuántica. Entender este vínculo con precisión podría permitir el diseño de un ordenador muy eficiente desde el punto de vista energético.
¿Es posible una ventaja energética cuántica?
Algunos estudios teóricos han podido calcular el coste energético necesario para la realización de ordenadores cuánticos, pero en un régimen no optimizado, sobre todo sin explotar el vínculo entre tasa de error y energía, y a menudo con un modelo simplificado del ordenador.
La explotación de este vínculo puede conducir a potentes optimizaciones que reduzcan el coste energético de los algoritmos. En la práctica, esto requiere un enfoque interdisciplinario que incluya la comprensión de los fenómenos fundamentales que inducen la decoherencia, la modelización de los algoritmos y códigos de corrección de errores cuánticos, así como toda la parte de ingeniería necesaria para controlar los qubits. A continuación, se puede calcular el coste energético mínimo necesario para resolver diferentes problemas, con el objetivo de que la probabilidad de error del algoritmo se considere 'aceptable'.
Como hemos visto, para qubits de excelente calidad (es decir, de una calidad aún inalcanzable en la práctica hoy en día), hay tareas para las que el ordenador cuántico podría gastar cien veces menos energía que los mejores superordenadores actuales para un tiempo de cálculo comparable (comparable en el sentido de que ambos serían capaces de resolver la tarea en un tiempo razonable). Esta ganancia de energía de un factor 100 también es indicativa: se podría imaginar que se ahorraría más energía realizando optimizaciones adicionales.
Esto se debe a que un ordenador cuántico computa utilizando procesos fundamentalmente diferentes a los de un superordenador: el primero manipula qubits y el segundo bits. Así, para la misma tarea e incluso para el mismo tiempo de cálculo, el número de operaciones puede ser drásticamente diferente. Además, una operación realizada en un ordenador cuántico implicará procesos físicos radicalmente diferentes a los implementados en un superordenador. Estas dos observaciones, tomadas en conjunto, implican que, conceptualmente, incluso a igualdad de tiempo de cálculo, aunque una operación lógica cuántica consuma más energía que una operación lógica clásica, el menor número de operaciones lógicas cuánticas puede significar que el ordenador cuántico será, en última instancia, mucho más eficiente energéticamente.
Por supuesto, este ejemplo procede de cálculos teóricos, basados en supuestos a veces muy optimistas. Sin embargo, parece indicar que una de las principales ventajas de la computación cuántica bien podría ser energética antes que computacional.
