La computació quàntica és una de les tècniques més innovadores de la ciència computacional. Les seves característiques permeten realitzar càlculs d’una manera totalment diferent de la dels ordinadors actuals, la qual cosa obre un camp d’oportunitats futures. Europa ha fixat aquesta tecnologia com un dels seus objectius prioritaris d’inversió científica i, a Espanya, el Barcelona Supercomputing Center – Centre Nacional de Supercomputació (BSC-CNS) s’encarregarà de liderar el projecte Quantum Spain, la construcció del primer ordinador quàntic del sud d’Europa. En parlem amb la seva coordinadora, la investigadora sènior Alba Cervera-Lierta, experta en algoritmes quàntics.

Què diferencia la computació quàntica de les tècniques de computació tradicionals?

La computació tradicional, que és com funcionen els nostres ordinadors, mòbils i tota l’electrònica d’avui dia, es basa en el sistema binari. Això vol dir que tot es qualifica amb zeros i uns, que són estats definits: un interruptor pot estar encès o apagat. En computació quàntica, això ja no funciona així. La quàntica té una sèrie de propietats que fan que puguis tenir aquests estats definits, però a més a més també pots tenir una mescla dels dos, el que es coneix com a superposició. Gràcies a aquestes mescles podem fer que succeeixin fenòmens com la transferència o l’entrellaçament, que fan que els estats d’aquests bits quàntics, que s’anomenen cúbits, puguin interferir. Això permet processar la informació d’una manera totalment diferent. A més, és molt difícil simular tot aquest sistema quàntic amb ordinadors tradicionals. Per descriure totes les oportunitats que ens ofereix la computació quàntica, necessites una capacitat de càlcul brutal. Aquest és un dels motius per als quals la computació quàntica és tan diferent i, al mateix temps, per què la necessitem i per què no podem fer moltes d’aquestes coses amb ordinadors tradicionals.

Quina mena de problemes permeten resoldre els ordinadors quàntics respecte a la tecnologia prèvia?

D’entrada, poder descriure els sistemes físics. L’origen de la computació quàntica ve d’aquí, del fet que no es poden descriure sistemes quàntics de moltes partícules perquè l’espai creix de forma exponencial. La manera de solucionar-ho és construir un ordinador que tingui aquestes propietats quàntiques, de manera que no creixin de forma exponencial, sinó lineal. En qualsevol cosa relacionada amb com es comporta la matèria, com la física de partícules o la química, l’ordinador quàntic ens ajudarà de forma molt significativa. Fins i tot, quan tinguem ordinadors quàntics més sofisticats, podrem arribar a la biologia o a la medicina. Als anys 80 es va descobrir que si assumeixes aquestes propietats quàntiques dels cúbits, resulta que el tipus de computació que pots fer és totalment diferent, i això implica que problemes que són molt complexes i que no pots resoldre amb ordinadors tradicionals, sí que pots fer-ho de forma eficient amb ordinadors quàntics, encara que no tinguin a veure amb simulacions. Aquests problemes són, per exemple, la factorització, que d’entrada pot semblar una cosa molt abstracta, però tota la criptografia d’avui dia es basa en el fet que factoritzar dos números és molt difícil de fer amb els ordinadors tradicionals. Això va obrir tot un camp d’altres aplicacions de la computació quàntica més enllà de la simulació, que són la resolució de problemes molt complexos: la factorització, les transformades de Fourier, els sistemes d’equacions molt grans… Comences a tirar el fil i tens tantes aplicacions com les d’un ordinador tradicional, però aplicant una manera diferent de fer els càlculs.

"La computació quàntica no està al nivell tecnològic per superar el 'big data' d'avui"

Com es combina la computació quàntica amb el big data que coneixem avui?

Això és el que s’està investigant avui dia. No tenim encara 100% clar quines aplicacions de la quàntica poden tenir avantatges i quines no. El big data d’avui dia el fem amb computació clàssica i superordinadors, i la computació quàntica no està al nivell tecnològic per superar-ho. Tindrem big data amb computació tradicional per molts anys, i segurament serà una cosa que treballarem alhora, una no substituirà l’altra. El que nosaltres estem investigant és si aquest processament d’informació tan diferent pot ajudar els algoritmes que s’utilitzen en big data i intel·ligència artificial a millorar, a executar-se de forma diferent, a necessitar menys paràmetres per funcionar… Un altre camp dins de la computació quàntica que està creixent moltíssim, sobretot a curt termini, és el dels algoritmes híbrids, uns algoritmes que tenen una part clàssica i una part quàntica. Alguns d’aquests són, precisament, en aplicacions d’intel·ligència artificial: part del codi es corre en un ordinador tradicional i una altra part es processa en un ordinador quàntic, de manera que juntes el millor dels dos mons. De moment, moltes d’aquestes aplicacions són simulacions de què passaria si el nostre ordinador quàntic fos prou gran, per tant, hem d’esperar a tenir ordinadors més potents, que cada any van millorant, per veure si realment poden estar al nivell de les tècniques que s’utilitzen avui dia.

Quins països porten la capdavantera en el desenvolupament d’ordinadors quàntics?

El que està passant amb els ordinadors quàntics a escala geopolítica és una mica el que va passar amb la computació tradicional quan es va desenvolupar als anys 40 i 50. Hi ha un grup de països que estan tractant de desenvolupar tota aquesta tecnologia, i no només en l’àmbit teòric, sinó sobretot a escala experimental. S’està produint una cursa per veure qui aconsegueix el millor ordinador quàntic en menys temps. Els protagonistes són els Estats Units, el Canadà i la Xina. Després es troba Europa, juntament amb altres països avançats com Austràlia, el Japó o Singapur. Europa està invertint molt perquè vol evitar que passi el que va passar amb la computació tradicional: en el seu moment, va abandonar la part de desenvolupar el hardware i ara depèn de xips que no es fabriquen a Europa. Per culpa d’això, tenim la crisi de xips que tenim. Europa, per una banda, està intentant resoldre aquest problema i està invertint per desenvolupar els seus propis xips, però per altra banda, també s’està preparant perquè això no torni a passar amb la computació quàntica. Per això la Unió Europea i els seus països estan invertint molt per desenvolupar tecnologies quàntiques.

"S’està produint una cursa per veure qui aconsegueix el millor ordinador quàntic en menys temps, liderada pels Estats Units, el Canadà i la Xina"

La crisi dels semiconductors tindrà efectes negatius sobre el desenvolupament de l'àrea quàntica?

En aquest cas no, o almenys no de forma rellevant. El motiu és perquè els xips quàntics tenen unes característiques concretes que fan que no els puguis comprar. Ningú els fabrica, només ho fan les empreses que es dediquen precisament a fabricar ordinadors quàntics. Necessitem les nostres pròpies sales blanques per dissenyar aquests xips, que tenen unes característiques que res tenen a veure amb els xips tradicionals. De fet, s’utilitzen també semiconductors i diversos materials, però amb l’arquitectura del xip no tenim el mateix problema perquè la demanda no és tan alta i encara els estem dissenyant. No queda clar quin és el millor, s’estan testejant diverses tecnologies. Per això mateix és un ‘ara o mai’ i per això la Unió Europea hi està invertint tant: som a temps d’igualar-nos amb la Xina o els Estats Units. Ens treuen avantatge perquè estan invertint més diners, però el talent i la gent que sap com funciona això, molta és d’Europa. Si ara s’inverteix, farem els nostres propis xips.

De quina manera coordina la Unió Europea la seva estratègia?

A través del programa Quantum Flagship, que consisteix a invertir 1.000 milions d’euros durant 10 anys en quàntica. Aquí s’inclou la computació, els sensors quàntics i la comunicació quàntica, que són altres aplicacions rellevants. Amb els fons de recuperació per la covid s’està invertint molt en països com Alemanya, Finlàndia, França o Espanya. Aquí tenim el projecte Quantum Spain, que pretén impulsar l’ecosistema de computació quàntica amb l’adquisició d’un ordinador quàntic que tinguem físicament i no a través del cloud i fomentar que tot l’ecosistema que tenim utilitzi aquesta tecnologia. Dins de tota aquesta infraestructura, que són 22 milions d’euros, Barcelona coordinarà el projecte a través del BSC.

Què suposa per al BSC-CNS liderar un projecte on participen 22 universitats de tot l’Estat?

Posiciona Barcelona en un lloc central de la computació quàntica d’Espanya i d’Europa, perquè serà el primer ordinador quàntic que doni servei des del sud d’Europa. No hi ha tants ordinadors quàntics a Europa, serem part d’una llista molt selecta. A més, aquest projecte s’envia a la RES (Red Española de Supercomputación) per un motiu molt concret. Hi ha dues variants dels ordinadors quàntics: la de desenvolupament i experimentació dels ordinadors, que es troba a les universitats i a les empreses, i el vessant de donar un servei públic. En aquest sentit, és una responsabilitat molt important que l’ordinador quàntic no només estigui al nostre territori, sinó que també estigui en mans públiques, perquè és una tecnologia molt disruptiva, encara estem investigant les seves aplicacions i impacte. Hem de donar un servei a tota la comunitat, i això inclou des de gent experta fins a gent que vol aprendre i empreses que volen col·laborar. També tenim la responsabilitat d’ensenyar-ho a la societat, i aquí tenim l’exemple del superordinador MareNostrum, que accepta visites de qui vulgui venir i fa moltes visites d’escoles. L’ordinador quàntic no serà una excepció: també serà públic, es podrà venir a visitar i t’explicarem com funciona.

"És una responsabilitat molt important que l’ordinador quàntic no només estigui al nostre territori, sinó que també estigui en mans públiques"

Per què és important tenir físicament l’ordinador quàntic i no accés des del núvol?

Primer, ens permet controlar al 100% el que passa amb aquest ordinador. Si jo contracto un servei en el cloud, en qualsevol moment es pot tallar sense que depengui de mi. Per altra banda, ens permet entendre millor la tecnologia. Molts d’aquests serveis en el cloud et donen accés a certs nivells de programació quàntica, però a mesura que baixes capes i entres en el hardware bàsic, ja no tothom ofereix tots els serveis. Tenir aquí una màquina que podem obrir i ensenyar-la a un físic de materials o a un expert en electrònica pot servir perquè proposin millores, a més de fomentar que hi hagi una oferta. Un ordinador quàntic té moltes peces, i algunes venen juntes, però altres no. Tota l’electrònica de control és electrònica tradicional aplicada d’una manera molt determinada, i això ha dut a la creació de start-ups en altres països centrades només a això, perquè tenen al costat els investigadors de l’ordinador quàntic.

En quin estat es troba actualment el projecte Quantum Spain?

El calendari que manegem és que, a finals d’any, puguem tenir el primer xip quàntic i poder començar a donar un accés a través del cloud a l’ordinador quàntic. La idea és començar a poc a poc, però amb una bona qualitat dels cúbits, per testejar, veure com funciona i familiaritzar-nos-hi. Paral·lelament, també durant aquest primer any, es començaran a contractar tots els investigadors, investigadores i tècnics que fan falta per l’ordinador quàntic. Això vol dir que cadascun dels 13 nodes de la RES tindrà un tècnic que s’haurà de formar i especialitzar en computació quàntica per assistir als usuaris. Aquest primer any és l’any d’arrancar, de començar a fer els contractes amb personal i, sobretot, de formar la nova generació de computació quàntica. Per als següents anys, la idea és que cada sis mesos hi hagi un xip nou que sigui millor que la generació anterior. La previsió és que en total surtin un total de set xips quàntics diferents i que, al final del projecte, el 31 de desembre de 2025, tinguem ja un xip de, com a mínim, 20 cúbits. La tecnologia va millorant dia a dia i, ara com ara, no és obvi ni fàcil construir aquests xips. Pot ser que hi hagi una millora molt substancial, que algú descobreixi, per exemple, que canviant un material tot funciona millor. Si ara ens comprometem amb una tecnologia o un tipus de xip concret, potser en quatre o cinc anys canvia molt el panorama.

"La previsió és que a finals de 2025 hàgim produït set xips quàntics i que, al final del projecte, tinguem un xip de, com a mínim, 20 cúbits"

El BSC-CNS compta actualment amb el superordinador MareNostrum 4, rebrà enguany el MareNostrum 5 i coordina el projecte Quantum Spain per construir el primer ordinador quàntic del sud d’Europa. Totes aquestes instal·lacions són complementàries o substitutives?

La computació quàntica no ve a reemplaçar a ningú, de la mateixa manera que no necessito un superordinador per enviar un WhatsApp. Tenim dues màquines molt diferents i amb dues arquitectures diferents, una tradicional i una quàntica. La tradicional es continuarà utilitzant amb tota la tecnologia i aplicacions que ja coneixem, i l’altra està aquí per veure com millorar algunes d’aquestes aplicacions o com desenvolupar-ne de noves que la tradicional sabem que té un cert límit. L’energia que necessiten els superordinadors és molt alta, però la que necessiten els ordinadors quàntics és, a priori, molt baixa. Per tant, pot ser que alguns processos es puguin fer completament o parcialment amb el quàntic. Hi ha algoritmes híbrids que mesclen part de la computació quàntica amb la tradicional, la qual cosa vol dir que part de l’algoritme es desenvolupa a l’ordinador quàntic i una altra part, al clàssic. Per això és tan important que es desenvolupi en un centre com el nostre, de supercomputació, on tenim les dues màquines i, si cal, les podem connectar. Per l’altra banda, la computació tradicional a la quàntica li serveix com a benchmark, per testejar. Hi ha una sèrie d’algoritmes quàntics i de propostes que teoritzen amb determinades potències, com els 50 cúbits. Si no tenim els 50 cúbits, els haurem de simular, i això és difícil. Per això es necessiten superordinadors com el MareNostrum 4 o el MareNostrum 5, per simular els ordinadors quàntics i veure si realment té sentit desenvolupar-ho.

Un cop construït, per a què s’utilitzarà el nou ordinador quàntic? Quins sectors i empreses han mostrat més interès?

Tot el que està relacionat amb simulació de materials o química hi té interès. S’han creat consorcis de farmacèutiques per explorar com es pot utilitzar la computació quàntica per al desenvolupament de medicaments. Hi ha empreses de química que s’interessen en com desenvolupar. Tens també empreses energètiques, com Repsol, que acaba de signar un acord amb el BSC, que vol explorar quines    aplicacions energètiques pot tenir la computació quàntica per resoldre problemes concrets tant de química com de finances. Perquè a més a més de les simulacions, en tot el tema de l’optimització de processos i la resolució de sistemes d’equacions molt complicats la quàntica pot ajudar, i és per això que un banc com el BBVA té un grup concret que es dedica a la computació quàntica. Tens camps de finances, química, ciència de medicaments, ciència de materials… A sobre de tot això, qualsevol cosa que puguem fer amb machine learning quàntic automàticament té aplicacions a tots els camps que empren el machine learning tradicional. És un nou paradigma que té unes aplicacions similars a la de la computació tradicional, però sobretot en la direcció de la simulació de processos que és tan costosa en els ordinadors tradicionals.

El mes d’octubre, va tornar a Barcelona com a investigadora sènior pel BSC-CNS després de treballar a la Universitat de Toronto. Com ha estat aquest camí?

Jo vaig fer un màster de física de partícules, res a veure amb computació quàntica, però vaig començar el doctorat amb una mescla entre informació quàntica i física de partícules i vaig acabar derivant-me gràcies al fet que van començar a sortir els primers ordinadors quàntics en el cloud, que ens van servir per començar a iniciar-nos no només en la teoria, sinó també en la pràctica. Formo part de la primera generació que s’ha format a la universitat en alguna cosa relacionada amb informació quàntica. Aquest fet posa de manifest la importància de començar a incloure aquestes assignatures en els estadis més primerencs de la teva carrera. Com tot era nou, et vas buscant la vida, i el doctorat em va acabar portant cap a la computació quàntica, i quan vaig acabar vaig anar a Toronto, on hi ha un grup molt potent liderat per l’investigador mexicà Alán Aspuru-Guzik, que va ser un dels primers a proposar els algoritmes híbrids. He estat dos anys allà de postdoc, però en pandèmia un any i mig, per tant, com tothom s’imaginarà, no és la manera més fàcil de fer feina. Malgrat això, ens hem pogut organitzar molt bé i fer coses molt interessants, que són les que m’han portat a poder tornar a Barcelona. Vaig estar parlant amb el BSC, on havia estat quan era estudiant de doctorat. Va coincidir que s‘estava gestant el projecte de Quantum Spain i va ser quan em van oferir coordinar el projecte, perquè tinc experiència amb ordinadors quàntics i sé com funcionen en l’àmbit de hardware i d’algorítmia.

"Aquí tenim grups d'investigació molt punters que no tenen res a envejar amb cap universitat del món"

Ha tingut també experiències en recerca en països com el Regne Unit o Singapur. Quines diferències ha notat respecte a l’ecosistema investigador català?

Quan vaig anar a Oxford pensava que anava a la Meca, i arribes allà i, efectivament, són molt potents i molt bons, però a escala d’investigació de grup, no són millors ni pitjors que un grup com el que teníem nosaltres a la UB o com molts grups que existeixen a Espanya. D’entrada, vaig desmitificar el fet que per ser una universitat molt potent signifiqui que tothom que hi ha allà dins sigui més potent que tu. Hi ha de tot a tot arreu, i aquí tenim grups d’investigació molt punters que no tenen res a envejar amb cap universitat del món. Per altra banda, per què aquestes universitats són tan potents? Perquè inverteixen molt finançament a contractar gent, estabilitzar-la i donar-li diners perquè doni la investigació, i aquesta és la part que a Espanya li va pitjor. Generem molt talent, la gent és molt bona. De fet, la gent vol venir a Espanya, perquè la forma de vida és molt bona, però és molt difícil estabilitzar-te com a investigador per molt bo que siguis. Tens investigadors molt bons que no aconsegueixen un contracte indefinit a les universitats, i es veuen obligats a anar-se’n a un altre país on el valorin més. És tràgic. Per això crec que, en aquest sentit, Espanya i Catalunya haurien de millorar molt més, malgrat que hi ha iniciatives molt bones en aquesta direcció. No tenim res a envejar a escala tècnica, però sí en administració, burocràcia o hores de docència que toca donar si ets professor, que fan que no puguis fer la teva investigació tan bé com en altres països.

Barcelona s’està convertint en una destinació cada vegada més triada per les empreses tecnològiques per establir-hi seus i centres de desenvolupament. És també així en el sector quàntic?

Barcelona ho està fent molt bé i ja ens estem posicionant des del principi en tecnologies quàntiques. Tenim centres com l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), que porta ja molts anys dedicant-se a això. Fa uns anys, el BSC no tenia grups de computació quàntica, i des de fa uns anys s’ha creat aquest grup. L’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), que es troba a la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), també ha apostat ara per la quàntica, amb un grup experimental amb què volen veure quines aplicacions pot tenir en la física d’altes energies i de partícules. A més, també tens grups que portaven tota la vida, com a la UB i a la UAB, que es dedicaven a la quàntica des d’un punt de vista teòric i que en el seu moment no eren gaire grans, però que en els últims anys estan creixent molt gràcies a l’interès i als avanços en aquesta tecnologia. Crec que estem fent els deures molt bé, s’està fomentant molt millor un ecosistema que ja existia, i el que li falta és desenvolupar més indústria. Però és que som precisament un hub molt bo per atraure aquesta indústria: ja comencen a haver-hi start-ups de computació quantica a Barcelona; de fet, al nostre centre hi ha Qilimanjaro, a l’ICFO hi ha més d’una start-up que es dediquen a quàntica, com QuSide, i a altres llocs es van crear petites empreses, o bé grups d’investigació dins de grans empreses, que col·laboren amb nosaltres per desenvolupar aplicacions. S’està creant un ecosistema molt bo. Queda molt per fer, com desenvolupar sales blanques per crear xips, però estem en la bona direcció.