Ignacio Cirac: “Els ordinadors quàntics acceleraran la capacitat d’aprenentatge de la intel·ligència artificial”

Les lleis de la física que expliquen com funciona el món que veiem i que ens envolta deixen de ser vàlides quan escodrinyem tot allò que passa al regne microscòpic. Allà, les partícules més elementals que formen la matèria, com els àtoms, però també més petites, com els electrons, tenen propietats molt exòtiques que atempten contra tota intuïció i semblen gairebé impossibles, com exemplifica el famós gat de Shrödinger, viu i mort alhora dins d’una capsa fins que l’observem.

La teoria que explica les regles d’aquest món de partícules és la mecànica o física quàntica i ens ha permès avenços extraordinaris, com ara l’electrònica: des dels ordinadors als mòbils, els llums LED, els panells solars i els equips mèdics als hospitals, entre més.

El físic Ignacio Cirac (Manresa, 1965) és un dels principals experts mundials en aquest àmbit. I el seu nom sona cada any en les travesses per al premi Nobel de física per les seves contribucions cabdals, sobretot en computació quàntica. Els seus treballs teòrics han obert noves vies de recerca experimental en àrees com ara la ciència de materials, la física d’altes energies, la química i la criptografia, el que li ha valgut rebre nombrosos guardons, com el Príncep d’Astúries i el prestigiós Wolf, així com la Medalla Max Planck. Ara la seva recerca se centra en com utilitzar la física quàntica per comunicar-nos de manera més eficient i segura, i a distàncies cada cop més grans.

Des del 2001 és director de la divisió teòrica de l’Institut Max Planck d’Òptica Quàntica a Garching (Múnic, Alemanya) i és investigador convidat i assessor científic de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), situat a Castelldefels. La setmana passada va visitar Barcelona per participar en el programa de debats Ciència Radical, comissariat pel físic i periodista científic Toni Pou, col·laborador de l’ARA, al Centre de Cultura Contemporània de Barcelona (CCCB).

La Unesco ha declarat el 2025 l’any internacional de la ciència i la tecnologia quàntiques. Per què?

— En primer lloc, perquè fa cent anys que es va desenvolupar la teoria que ens ha permès comprendre com funciona la matèria a escala microscòpica i que ens ha portat a dissenyar els sistemes electrònics que tenim a gairebé tots els dispositius que fem servir diàriament: els materials semiconductors; els LED, els làsers. D’això en diem la primera revolució quàntica, i amb aquest any internacional hi retem homenatge. Però, a més, volem celebrar que els darrers anys les tecnologies quàntiques han avançat molt i han generat moltes expectatives, fins i tot ocupant portades als mitjans de comunicació i apareixent als discursos polítics.

Ja som, doncs, a la segona revolució quàntica?

— Encara no ha arribat. Aquesta segona revolució es basa a intentar explicar altres lleis de la física quàntica que coneixíem abans, però que no podíem explotar. I són les més estranyes de totes, perquè són les menys intuïtives.

Res en quàntica sembla intuïtiu!

— Sí, però hi ha diferents nivells. Com passa amb els planetes, els electrons només poden moure’s i estar en certes òrbites, mentre que d’altres estan prohibides, i això pot desafiar la nostra imaginació. Però si dic que un objecte no té definit on serà, que ni ell mateix sap on és, ni ho pot saber, això sí que desafia completament la intuïció. I són aquestes segons lleis, més estranyes, que ara hem aconseguit dominar als laboratoris i les que volem utilitzar.

Què permetran?

— Sobretot treballar amb informació. Ens permetran processar-la en ordinadors d’una manera una mica diferent d'ara. Tindrem sistemes de comunicació basats en la física quàntica que seran molt més segurs que els que tenim avui.

Caldran ordinadors quàntics?

—  Així és. Tot i que fa temps que en sentim a parlar, els darrers anys hem avançat substancialment. Si disposes d'uns quants milions d’euros, ja te’n pots comprar un. I no tan sols això, sinó que hi pots invertir, comprar-ne accions al mercat. Tot i que ara mateix són màquines que no resolen gaire cosa, fan més que els que teníem fa vint anys, esclar. Aleshores eren petits prototips que, bàsicament, demostraven el principi de funcionament. En aquest temps s’han desenvolupat més i han augmentat de mida. Tot i això, encara estan lluny de l’ordinador quàntic que volem tenir en el futur.

Fan res millor que els ordinadors actuals o que els superordinadors?

— De moment, es dediquen a resoldre problemes acadèmics. Google, el 2019, va anunciar que havia aconseguit la supremacia quàntica, una notícia que va donar la volta al món. Es van inventar un problema acadèmic per obtenir nombres aleatoris seguint unes pautes concretes. Amb un ordinador quàntic el problema es podia resoldre en qüestió de minuts, mentre que amb un ordinador usual per obtenir aquests nombres aleatoris caldrien milions i milions i milions d’anys, segurament més que l’edat de l’Univers. En el futur també podran desencriptar missatges. Així, si compres alguna cosa amb la teva targeta de crèdit i jo tinc un ordinador quàntic, seré capaç de trobar quin és el número de la teva targeta, cosa que amb els ordinadors actuals no podem fer i per això són transaccions segures.

Però aleshores crearan un problema de seguretat!

En efecte. Però, per altra banda, les tecnologies de comunicació quàntiques, que no els ordinadors, permeten encriptar missatges de manera segura, fins i tot en contra dels propis ordinadors quàntics. Al final no tenim cap guany en aquest àmbit, perquè els ordinadors quàntics fan malbé una cosa que hem d’arreglar també amb física quàntica. Però hi ha més exemples d’aplicacions, com ara càlculs científics. Els científics volem resoldre molts problemes i no ho podem fer per manca de potència de càlcul. Els ordinadors quàntics ens els permetran resoldre. També problemes de com es comporten els materials a molt baixes temperatures, qüestions relacionades amb teories de la gravetat, teories quàntiques de molts cossos. O en disseny de materials o de productes que provinguin d’una reacció química, com ara un fàrmac, per als quals calen càlculs molt complicats per a un ordinador usual que els quàntics poden fer fàcilment. O problemes relacionats amb processos industrials d’optimització. Esclar, també hi ha algunes qüestions d’intel·ligència artificial, perquè els ordinadors quàntics poden accelerar com aprèn la IA. Però potser l’aplicació més clara dels computadors quàntics que coneixem és intentar simular processos quàntics complexos.

És una mica paradoxal.

— Cert. Si tenim un problema que hem de descriure amb la física quàntica, com els que apareixen en química o en materials, són difícils o impossibles de resoldre amb superordinadors. La simulació quàntica empra ordinadors quàntics per simular el que els passarà en el futur, per fer prediccions amb allò, perquè en aquests àmbits apareixen problemes que necessiten les regles de la física quàntica. De fet, molts dels descobriments que s’han fet amb simulacions quàntiques han propiciat investigació amb ordinadors clàssics i han permès que es desenvolupin millors algoritmes per a ordinadors clàssics. El més important és que tots aquests són tan sols uns quants exemples que ara coneixem de les moltes aplicacions que tindran i que ara no som ni capaços d’imaginar.

Com funcionen els ordinadors quàntics?

— No és que siguin més ràpids que els ordinadors clàssics, sinó que utilitzen una forma diferent de resoldre els problemes i processar la informació. Es basa en les lleis de la física quàntica, treballa amb el que anomenem superposicions quàntiques, que és una cosa que no existeix al món macroscòpic, només al microscòpic: un mateix objecte pot fer diverses coses alhora Aleshores, els ordinadors quàntics poden resoldre diverses tasques a la vegada, treballar en paral·lel i això ens permet accelerar alguns processos. Però mentre funcionen i fan aquestes operacions no els podem mirar, perquè si no deixen de funcionar. I per això, cal aïllar-los molt bé, cosa que constitueix la gran batalla d’avui. Necessitem construir ordinadors quàntics prou grans, però que estiguin ben aïllats per poder explotar-los.

Catalunya tindrà un dels primers ordinadors quàntics europeus

On s’estan construint?

— Algunes companyies dels EUA, de la Xina i també d’Europa n'estan construint petits prototips. Cada un utilitza una tecnologia diferent i encara no sabem quina s’imposarà. Però això és important, perquè en aquesta cursa per fer ordinadors quàntics es desenvoluparan moltes tecnologies que poden ser fins i tot més importants que els mateixos ordinadors quàntics. Tot l’ecosistema que es crea en un lloc és més important que construir l’ordinador, per això és crucial que en ciutats com Barcelona surtin start-ups i indústria interessada.

El Barcelona Supercomputing Center comptarà amb un dels primers ordinadors quàntics d’Europa.

— Sí, a Catalunya i a Espanya, a Europa en general, s’està fent una aposta important per les tecnologies quàntiques. A Alemanya, on visc, s’hi està injectant molt de finançament. Tot i això, és difícil competir amb els nostres col·legues de la Xina, on el finançament és enorme, a una magnitud molt més gran, o amb els nord-americans, perquè tenen una indústria molt potent que no tenim a Europa, sobretot en matèria de tecnologia de la informació. És molt positiu que s’hagi llançat una iniciativa com el projecte Quantum Spain, on l’ICFO té un paper de lideratge i despunta en comunicacions quàntiques. També altres institucions catalanes, reconegudes arreu del món, estan tenint un rol crucial i són punteres en algunes tecnologies quàntiques. Això és impressionant, que un país que no tingui una indústria sòlida sigui al capdavant. També és molt positiu que els polítics catalans estiguin convençuts de la importància que tenen les tecnologies quàntiques i en secundin el desenvolupament.

És important que Catalunya, que Europa, desenvolupi el seu propi ordinador quàntic?

— Imaginem que se’n construeix un en un país que no és amic d’Occident. Aquell ordinador seria capaç de desxifrar els nostres missatges secrets, de crear millors fàrmacs, millors materials; generaria moltes patents; revolucionaria probablement la indústria, optimitzaria millor els seus processos, tindria un avantatge econòmic, fins i tot militar. Això, que és una exageració, seria un problema.