Combatir el cambio climático requerirá una verdadera fusión de habilidades humanas: la innovación conceptual de las cero emisiones netas, el ingenio de ingeniería de las industrias descarbonizadas y el injerto físico de la construcción de ciudades inteligentes. En todo el mundo, las manos y las mentes deben unirse como nunca antes para evitar los impactos catastróficos del sobrecalentamiento de nuestro planeta.

¿Cuánto más fáciles podrían ser nuestros desafíos y cuánto más realistas serían nuestros objetivos si nuestros esfuerzos estuvieran adornados con un nuevo aliado, en forma de “computación cuántica”?

Estamos a punto de descubrir la respuesta.

Probablemente ya habrá escuchado hablar del término computación cuántica, aunque de pasada y tal vez no le prestase mucha atención. A menos que trabaje en el sector, es posible que hasta ahora haya tenido pocas consecuencias para su vida diaria. No obstante, si todo sucede según lo planeado, esto podría estar a punto de cambiar.

La computación cuántica se concibe mejor como una tecnología multidisciplinar, que combina matemáticas, física e informática de vanguardia para diseñar procesadores con una potencia y velocidad sin precedentes.

La tecnología explota los llamados efectos mecánicos cuánticos, como la superposición y el entrelazamiento, comportamientos físicos únicos de las partículas a nivel subatómico, para resolver problemas drásticamente más rápido que los ordenadores convencionales, alimentados por (micro)transistores.

Y es esa velocidad la clave del potencial cuántico. Se estima que la tecnología cuántica es 158 millones de veces más rápida que el superordenador más potente, capaz de hacer en 200 segundos algo que un superordenador moderno tardaría más de 10 000 años en lograr.[1]

10 000 años se convierten en segundos

¿Cómo funciona? La computación tradicional se basa en transistores binarios que, ante una consulta, representan 1 o 0 (sí o no; encendido o apagado). Por el contrario, la computación cuántica se basa en el poder de los bits cuánticos, o “cúbits”, que pueden representar tanto 1 como 0 al mismo tiempo, una superposición de estados.

Esta multiplicidad de estados hace posible, por ejemplo, que un ordenador cuántico con solo 30 cúbits realice 10 mil millones de operaciones de coma flotante por segundo.[2] Piense en los posibles avances para áreas de investigación complejas y costosas, como el modelado aerodinámico, el desarrollo de fármacos, la optimización de la cadena de suministro, la terapia génica y más.

Los procesadores cuánticos pueden hacer suposiciones sobre una partícula midiendo otra relacionada dentro de un sistema estrechamente vinculado, una característica conocida como entrelazamiento. Por ejemplo, el giro en sentido horario de un cúbit debe coincidir con el giro en sentido antihorario de otro cúbit correspondiente. La medición del estado cuántico de un cúbit hace que su función de onda se desplome, correlacionando su estado con otros cúbits independientemente de la distancia, y permitiendo resolver sumas muy complejas de manera casi instantánea. De esta manera, el poder de la computación cuántica aumenta exponencialmente en línea con el número de cúbits.

El término “computación cuántica” en sí mismo es un poco engañoso, ya que evoca imágenes de ordenadores de sobremesa convencionales y teclados cubiertos de polvo. La realidad es que la computación cuántica y la convencional son dos mundos paralelos con algunas similitudes, pero muchas diferencias. Tres de las más importantes son:

  • Lenguaje de programación: La computación cuántica no tiene su propio código de programación y requiere el desarrollo e implementación de algoritmos muy específicos.
  • Funcionalidad: A diferencia de los ordenadores personales (PC) actuales, los ordenadores cuánticos no están diseñados para un uso diario generalizado. Son tan complejos que solo se pueden utilizar en ámbitos corporativos, científicos y tecnológicos.
  • Arquitectura: Los ordenadores cuánticos tienen una arquitectura más sencilla que los ordenadores convencionales y no tienen memoria ni procesador. El equipo que los hace funcionar consta únicamente de un conjunto de cúbits.

A medida que la computación cuántica evolucione, tendrá aplicaciones revolucionarias en tres amplias áreas: optimización, aprendizaje automático y simulación de sistemas químicos físicos o moleculares, todo con resultados muy superiores a la capacidad de incluso los “superordenadores” más rápidos y potentes de la actualidad.[3]

  • Optimización: las mejoras dentro de las industrias son normalmente difíciles de predecir y costosas de probar, pero la computación cuántica puede hacer malabarismos con múltiples variables para idear eficiencias inesperadas: reducción de los costes de materiales, logística optimizada, mejoras en el rendimiento del producto y, en última instancia, aumento del retorno de la inversión. La computación cuántica puede transformar cosas buenas en excelentes, con un esfuerzo y un riesgo mínimos.
  • Simulación: los ordenadores tradicionales no pueden calcular con eficiencia ni precisión la calidad de la interacción entre dos propiedades complejas. Al simular materiales y ejecutar iteraciones casi ilimitadas, la computación cuántica automatiza un proceso que antes requería intervención y llevaba mucho tiempo. Desvelar las interacciones entre moléculas ayudará a marcar el inicio de una nueva clase de fármacos, materiales y productos químicos.
  • Aprendizaje automático: el aprendizaje automático mejorado cuánticamente (algoritmos que analizan datos clásicos en un ordenador cuántico) ofrecerá un valor añadido a las empresas e industrias ya familiarizadas con el aprendizaje automático convencional. Las nuevas herramientas cuánticas ofrecerán una velocidad computacional y una capacidad de almacenamiento de datos notablemente mayores.

Entonces, dados estos enormes beneficios, ¿dónde están todos nuestros ordenadores cuánticos y por qué no hemos retirado aún sus lentos antepasados con microchips? Después de todo, se anuncian avances en computación cuántica casi semanalmente, el sector actúa como un imán para nuestras mentes más jóvenes y brillantes; y las start-ups cuánticas están siendo financiadas con entusiasmo en todo el mundo. ¿A qué se debe el retraso?

Pese al entusiasmo y optimismo generalizados, la tecnología aún está en desarrollo. La generación actual de dispositivos NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum) es propensa a errores en la calidad y estabilidad de los cúbits, un estado conocido como incoherencia, que limita su rendimiento.

Sin embargo, como la tecnología se perfecciona constantemente, la verdadera revolución cuántica podría llegar antes de lo que pensamos. Las tendencias actuales indican que la primera generación de ordenadores cuánticos tolerantes a fallos (con tasas de error lógicas a niveles arbitrariamente bajos) podría llegar al mercado a finales de la década de 2020. En ese momento, la magnitud de su potencial para contrarrestar el cambio climático estará más clara.

Energizando la industria, capturando el carbono

Cumplir los objetivos de cero emisiones netas utilizando la tecnología actual está empezando a parecer casi imposible. Lamentablemente, incluso si se cumplen en su totalidad, los compromisos adquiridos en la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP26) de 2021 se traducirán en un aumento de la temperatura global de entre 1,7 °C y 1,8 °C para 2050, superando con creces el límite de 1,5 °C que se considera necesario para evitar los peores efectos del cambio climático.[4]

Por suerte, el enorme potencial de la computación cuántica podría mejorar estas previsiones desalentadoras. Según algunas estimaciones, la computación cuántica podría impulsar el desarrollo de tecnologías capaces de reducir la producción de carbono en más de 7 gigatones al año para 2035, por lo que 1,5 °C volverían a ser un objetivo viable.

La computación cuántica podría contribuir significativamente, ya sea estimulando la proliferación de las tecnologías que más necesitan ampliarse, o logrando que sectores con grandes emisiones, que parecían inmunes a la intervención, sean más ecológicos. ¿Qué podemos esperar concretamente en los próximos años a medida que se desarrolla la visión de la computación cuántica?

Electrificación: las baterías de gran capacidad y durabilidad son vitales para el almacenamiento a escala de red de fuentes de energía variables, como la eólica y la solar. Sin embargo, las tasas de mejora en la densidad de energía de las baterías se han ralentizado drásticamente, desde una mejora de densidad del 50 % entre 2011 y 2016 hasta un aumento estimado del 17 % entre 2020 y 2025. Al permitir un análisis más detallado de la formación de complejos electrolíticos, la computación cuántica podría sugerir un material de reemplazo para cátodos/ánodos y erradicar la necesidad de separadores de baterías.

Según un estudio, reducir a la mitad los costes del almacenamiento a escala de red podría aumentar el uso de energía solar en un 60 % en toda Europa para 2050.[5] Asimismo, las baterías con una densidad energética un 50 % mayor acelerarán el argumento comercial para su adopción generalizada en vehículos de mercancías pesados.

Agricultura: los aditivos con bajo contenido de metano podrían reducir en un 90 % los 7,9 gigatones de CO2 que actualmente emite cada año el ganado. La computación cuántica podría ayudar en el desarrollo de una vacuna antimetano, que ayudaría a los anticuerpos a unirse a los microbios adecuados en el entorno hostil de un intestino bovino.

Captura de carbono: extraer y atrapar el carbono del aire funciona en principio, pero actualmente el coste que supone es prohibitivo. La computación cuántica está preparada para reducir drásticamente los costes de las tecnologías de “captura de fuente puntual” y “captura directa del aire”.

En el método de fuente puntual, el CO2 se captura directamente de fuentes de contaminación intensa, como los hornos industriales. La computación cuántica modelará estructuras moleculares óptimas para disolventes multifase integrales al proceso, aumentando la eficiencia de captura en una amplia gama de fuentes de CO2 y reduciendo los costes hasta un 50 %.

En el método de captura directa del aire, el CO2 se captura directamente de la atmósfera en un sistema que es muy costoso y requiere un alto consumo de energía. La computación cuántica ayudará a diseñar nuevos absorbentes, como marcos orgánicos metálicos (metal organic frameworks, MOF), que pueden procesar el CO2 de forma mucho más eficiente que la tecnología comparable actual.

Potencia y combustible: las celdas solares actuales de silicio cristalino funcionan con una eficiencia de aproximadamente el 20 %. La computación cuántica promete aumentar esta cifra hasta un 40 %, mediante células solares basadas en estructuras de cristal de perovskita. La perovskita carece de durabilidad y es tóxica en algunas combinaciones. Los ordenadores cuánticos, simulando estructuras de perovskita en múltiples permutaciones utilizando diferentes átomos base, diseñarán soluciones duraderas y no tóxicas, lo que potencialmente reducirá a la mitad el coste de la energía solar.

Actualmente, el amoniaco, que es costoso y consume mucha energía, representa solo el 2 % del consumo energético mundial. La bioelectrocatálisis de la nitrogenasa ofrece una visión tentadora de cómo se podría producir amoniaco de forma limpia y a una fracción de su precio actual. El proceso replica artificialmente la “fijación de nitrógeno”, mediante la cual las plantas absorben el nitrógeno directamente del aire y lo convierten en amoniaco. La nitrogenasa funciona a temperatura ambiente y a una presión de 1 bar, lo que eclipsa la eficiencia del método Haber-Bosch, que actualmente requiere temperaturas de 500 °C. La tecnología aún no está lista para ponerse en marcha, pero se espera que la computación cuántica resuelva rápidamente los problemas relacionados con la estabilidad enzimática y las bajas tasas de producción. Aparte de reducir la carga de CO2 de la industria de los fertilizantes, la reducción de costes del 67 % estimada podría acelerar en una década la adopción generalizada del amoníaco como combustible para el transporte marítimo.[6]

El alto coste también ha sido un factor desfavorable para el hidrógeno verde, pero el perfeccionamiento del proceso de electrólisis podría finalmente ayudar a alcanzar su paridad comercial con el gas natural. La actual generación de electrolizadores de membrana electrolítica polimérica (polymeric electrolyte membrane, PEM) para “dividir” el agua sufre de ineficiencias y falta de durabilidad debido a una mala interfaz entre membranas y catalizadores. La computación cuántica puede simular diferentes estados de energía para aumentar la eficiencia, al mismo tiempo que identifica catalizadores y membranas más compatibles químicamente. Un grupo de investigadores pudo analizar cientos de billones de diseños de materiales en una técnica llamada expansión de clústeres. Los resultados llevaron al equipo a un conjunto inexplorado de materiales, que incluían antimonio, manganeso, oxígeno, rutenio y cromo, cuya síntesis mostró una actividad catalizadora ocho veces mayor que la del mercado actual.[7] Una tasa de eficiencia del 100 % para la producción de hidrógeno verde podría reducir los costes de producción hasta un 30 %.

Industria: por muy vital que sea la guerra contra el calentamiento global, la construcción no puede detenerse de la noche a la mañana. El mundo consume más de 4000 millones de toneladas de cemento al año, un agente aglutinante crucial en el hormigón que se utiliza para fabricar nuestras casas, fábricas, carreteras y hospitales.

Desafortunadamente, cada año la producción de cemento provoca alrededor de 2500 millones de toneladas de CO2, alrededor del 8 % del total global. Actualmente no existen alternativas asequibles al cemento. La informática cuántica puede evitar el gasto de costosos estudios, simulando distintas combinaciones de materiales para diseñar un producto sustitutivo duradero y no contaminante. Algunas estimaciones sugieren que esto podría reducir las emisiones hasta en 1 gigatón al año para 2035.

Incluso con toda esta previsión, los avances más significativos de la computación cuántica podrían ser sorprendentes. Las tecnologías que podrían desbloquearse quizás todavía no existan en nuestro radar conceptual. Puede que la mecánica cuántica opere en una escala infinitamente pequeña, pero sus efectos serán globales.

La cuántica puede ser una fuerza para el bien

Al igual que la inteligencia artificial, si se utiliza sabiamente la computación cuántica tiene el potencial de fomentar resultados positivos para varios de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU, como Hambre cero, Salud y bienestar, Energía asequible y no contaminante, Industria, innovación e infraestructura y Ciudades y comunidades sostenibles.

Estos son objetivos prioritarios que nos obligan a encontrar soluciones inteligentes para algunos de los obstáculos a los que se enfrenta actualmente la computación cuántica.

Por ejemplo, actualmente la mayoría de los ordenadores cuánticos funcionan dentro de frigoríficos criogénicos a -273 °C y, debido a estos requisitos extremos de refrigeración, siguen consumiendo más energía que los ordenadores estándar.[8] Los ordenadores cuánticos en desarrollo podrían eludir por completo la necesidad de refrigerar los cúbits. El sistema informático cuántico de ORCA Computing, por ejemplo, utiliza fotones únicos para cúbits a temperatura ambiente, sin enfriamiento criogénico. La computación cuántica de iones atrapados también puede funcionar a temperaturas menos extremas, lo que permite procesar la información con una potencia mínima y sin generar casi calor.[9] Un estudio sugiere que los ordenadores cuánticos podrían reducir el consumo energético en más de 20 órdenes de magnitud en comparación con los superordenadores convencionales.[10]

Siguen existiendo otras dudas. ¿La computación cuántica acentuará la brecha de riqueza entre los países más ricos y los más pobres? ¿Protegerá indebidamente a las empresas actuales haciendo que la entrada en la industria sea insostenible para los recién llegados? ¿Qué ocurre con los impactos de la computación cuántica en un mercado laboral que aún se está recuperando de la triple crisis de la recesión global, la COVID-19 y la IA? ¿Los estándares de cifrado modernos se volverán inútiles gracias a la increíble potencia de la computación cuántica, dejando de lado las demandas de datos y privacidad?

Los gobiernos deben contribuir a que la computación cuántica beneficie a muchos y no sólo a unos pocos. Deben ayudar a desarrollar y financiar programas de investigación de educación superior, especialmente dirigidos a áreas de riesgo financiero (como la captura de carbono) y proyectos humanitarios (como la predicción de desastres), que actualmente carecen de apoyo. Ya existen modelos de asociaciones, como las colaboraciones actuales entre IBM y el gobierno del Reino Unido[11], la asociación público-privada de los Países Bajos y Quantum Delta o la empresa conjunta de ciencia y tecnología cuántica lanzada por EE. UU. y el Reino Unido en 2021[12].

Siento que estamos en el comienzo del ascenso hacia el triunfo de la computación cuántica, pero ya podemos mirar hacia arriba y ver lo que nos espera. Debemos mantener un diálogo abierto en todos los sectores privados y públicos para garantizar que la ruta sea accesible para todos y que el destino aporte recompensas mutuas. La tecnología cuántica promete profundos cambios en toda la sociedad, desde las finanzas hasta la seguridad nacional, pasando por las telecomunicaciones y la ingeniería. Para cuando alcancemos un estado de “ventaja cuántica” (superioridad del rendimiento sobre los ordenadores convencionales), quizás la computación cuántica podría incluso ayudar a frenar, o incluso a revertir, lo que más amenaza nuestra existencia: el cambio climático.

Optimización, simulación y aprendizaje automático mejorados cuánticamente. Tres conceptos simples desbloqueados gracias al poder revolucionario de la computación cuántica. Quizás no salven el mundo, pero sin duda lo cambiarán para siempre.

 

[1] https://www.mckinsey.com/featured-insights/mckinsey-explainers/what-is-quantum-computing

[2] https://www.iberdrola.com/innovation/what-is-quantum-computing

[3] https://prod.ucwe.capgemini.com/wp-content/uploads/2022/10/Quantum-Technologies__Sustainability_20-09-2022_final.pdf

[4] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[5] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[6] https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-computing-just-might-save-the-planet

[7] https://www.powerengineeringint.com/hydrogen/quantum-computing-techniques-reveal-improved-catalyst-for-green-hydrogen/

[8] https://projectqsydney.com/could-quantum-computing-help-curb-ais-carbon-footprint/

[9] https://www.techuk.org/resource/could-quantum-computing-hold-the-key-to-sustainability.html

[10] https://www.ornl.gov/news/energy-quantum-computing-efficiency

[11] https://newsroom.ibm.com/2021-06-03-UK-STFC-Hartree-Centre-and-IBM-Begin-Five-Year,-210-Million-Partnership-to-Accelerate-Discovery-and-Innovation-with-AI-and-Quantum-Computing

[12] https://www.whitehouse.gov/ostp/news-updates/2021/11/04/the-united-states-and-united-kingdom-issue-joint-statement-to-enhance-cooperation-on-quantum-information-science-and-technology/