Repensar la energía en la era cuántica

Entrevista a la Dra. Alexia Auffèves, física francesa, pionera de la energética cuántica y cofundadora de la Iniciativa de Energía Cuántica (QEI).

La física cuántica ha sido la estrella del mundo de la tecnología durante casi un siglo. Sin embargo, silenciosamente, una segunda revolución cuántica está surgiendo y sacudiendo los fundamentos mismos del funcionamiento de las computadoras a todos los niveles, desde cómo se define la información y la forma como las máquinas la procesan físicamente, hasta los algoritmos. Estas nuevas tecnologías cuánticas prometen cálculos excepcionalmente más rápidos y comunicaciones más seguras.

A medida que los gobiernos y las industrias invierten fuertemente en sistemas cuánticos, es hora de pensar en cómo los construimos y utilizamos de forma responsable. Eso significa no solo centrarse en lo que pueden hacer, sino también en cuánta energía utilizan para realizar las tareas. Los retos medioambientales y sociales reconocidos hoy en día imponen nuevas limitaciones que no eran obvias cuando surgieron las computadoras clásicas. Los procesadores cuánticos que están surgiendo en este momento muestran un menor consumo de energía en comparación con las máquinas tradicionales, pero no comprendemos del todo por qué y si esta ventaja persistirá a medida que escalen.

En un artículo seminal publicado en Physics Review X Quantum, en 2022, la física Dra. Alexia Auffèves, Directora de Investigación de Primera Clase en el CNRS de Francia, jefa del Laboratorio Internacional de Investigación MajuLab y Profesora invitada en el Centro de Tecnologías Cuánticas de Singapur, sostiene que “es necesario un fuerte vínculo entre la investigación fundamental y la ingeniería para establecer conexiones cuantitativas entre el rendimiento de la informática a nivel cuántico y el consumo de energía a nivel macroscópico, full-stack”. En el marco del Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas, mantuvimos una conversación con la Dra. Alexia Auffèves sobre su trabajo como pionera de la energética cuántica y como cofundadora y líder de la Iniciativa de Energía Cuántica (QEI), un esfuerzo interdisciplinar que reúne a expertos en física cuántica, termodinámica y energética, informática e ingeniería con el objetivo de comprender cómo utilizan la energía las tecnologías cuánticas desde la base.

«Llevo doce años trabajando en termodinámica cuántica, y al principio no fue fácil detectar el impacto de esta investigación en las tecnologías cuánticas. La comunidad de termodinámica cuántica apenas pudo participar en el gran despegue de las tecnologías cuánticas. Yo formaba parte de la comunidad de termodinámica cuántica, pero también tenía una visión de lo que estaba ocurriendo con las tecnologías cuánticas debido a mi pasado como experimentalista, y porque dirigía el centro de tecnologías cuánticas de Grenoble. Así, pues, vi que había claramente una brecha que salvar entre las dos comunidades», dice Alexia.

Aprendiendo de las lecciones tanto de la historia de la informática clásica como de los recientes avances de la inteligencia artificial, Auffèves nos recuerda que la eficiencia energética no se produce por accidente: Si no la buscas, no la encontrarás. En el caso de la informática cuántica, puede requerir décadas de perfeccionamiento, desde la comprensión de los principios fundamentales que conectan el coste energético y el rendimiento, hasta el diseño de chips que equilibren el rendimiento con el consumo de energía.

Crear una comunidad internacional de investigación para comprender la huella energética de las tecnologías cuánticas emergentes.

Motivados por la oportunidad y relevancia de abordar el coste energético de las tecnologías cuánticas, Alexia, sus colegas Robert Whitney y Janine Splettstoesser, y el consultor y autor Olivier Ezratty cofundaron la Iniciativa de Energía Cuántica (QEI) en 2022.

Esta comunidad establece formas de medir la eficiencia energética de los dispositivos cuánticos, fija marcos de referencia e identifica cómo reducir el consumo de energía en las distintas plataformas cuánticas y paradigmas informáticos. En primer lugar, abordan computación cuántica, pero también investigan la comunicación y la detección, los otros dos denominan pilares de las tecnologías cuánticas. El equipo de la QEI pretende definir qué significa realmente “ventaja cuántica energética” en términos científicos y utilizar ese conocimiento para orientar las decisiones de diseño inteligente a medida que se desarrollan los sistemas cuánticos.

«La QEI es uno de los primeros intentos de desarrollar la innovación en un mundo finito. En el pasado, los innovadores solían invertir mucho dinero, con la esperanza de que saliera algo. Ahora, tenemos que tener en cuenta el hecho de que los recursos físicos, especialmente la energía, son finitos. En ese sentido, la computación cuántica está creciendo en condiciones muy, muy diferentes a las de su hermana mayor, la computación clásica, cuando había petróleo por todas partes, y entonces podías desarrollar tecnologías, suponiendo que teníamos recursos infinitos».

Pero poner en marcha este tipo de iniciativas, en las que se entrecruzan la ciencia fundamental y las tecnologías emergentes, también significa sortear la influencia de los sectores de la industria, que a menudo tratan de alinearse con las narrativas éticas predominantes del momento.

«Cuando lanzas una iniciativa como esta, no estás consciente del tipo de fuerzas que vas a desencadenar, especialmente hoy en día, cuando hay tanta hipérbole cuántica. Si mezclas esa hipérbole con la palabra «energía», se vuelve insoportable. La QEI no es una empresa de lavado verde. Estamos aquí precisamente para evitar el lavado verde. Estamos aquí para proporcionar a la comunidad cifras científicas objetivas de mérito para que frases como: «¡Oh! Mi computadora cuántica calculará con menos energía» y pueda comprobarse, y la eficiencia energética de esa computadora pueda incluso compararse con un límite fundamental y mejorarse con el tiempo».

¿Podemos construir una teoría que abarque lo cuántico y lo clásico a la vez?

Para comprender el verdadero coste energético de la computación cuántica, debemos mirar más allá de las especificaciones del hardware y la eficiencia operativa. En el centro del desafío se encuentra un problema mucho más profundo y conceptual: cómo combinar los mundos cuántico y clásico dentro de un único modelo físico. No se trata solo de un obstáculo técnico: es el problema más antiguo y aún abierto de la física cuántica, conocido como el problema de la medición.

Cualquier cálculo, ya sea clásico o cuántico, puede dividirse en tres etapas: entrada, procesamiento y salida. En la informática cuántica, tanto la entrada como el proceso de cálculo implican fenómenos inherentemente cuánticos, como la superposición y el entrelazamiento. Sin embargo, la obtención del resultado (la salida) requiere una medición, un proceso que desempeña un papel central en nuestra comprensión de la mecánica cuántica. Los científicos siguen desconcertados por lo que ocurre exactamente durante la medición, cuando las propiedades cuánticas se pierden aparentemente al interactuar el sistema cuántico con el aparato clásico utilizado para observarlo.

«Si piensas en una computadora cuántica, mientras se realiza un cálculo, tratamos con estados del gato de Schrödinger, es decir, superposiciones de estados de sistemas «macroscópicos» – registros de datos formados de una vasta cantidad de qubits. Así, pues, tienes estados de gato de Schrödinger en una caja (un criostato, por ejemplo) que intentas controlar desde el mundo externo [clásico]. Y mi sensación es que el coste energético verdaderamente fundamental de la informática cuántica es en realidad el costo de la caja que rodea al gato de Schrödinger.

Responder a esa pregunta es independiente del hardware y también sería una forma de resolver una de las mayores cuestiones abiertas de la física cuántica: ¿podemos construir una teoría que abarque lo cuántico y lo clásico a la vez?

Hoy en día, esta cuestión pertenece al campo de los fundamentos cuánticos, que en gran medida está desvinculado de las tecnologías cuánticas, donde «Cállate y calcula» [la respuesta que suelen dar los ingenieros y académicos a las personas que se preguntan por el significado filosófico de la teoría cuántica] ha demostrado ser una estrategia eficaz; sin embargo, si realmente quieres calcular los costes energéticos mínimos y obtener un marco universal para evaluar comparativamente todas las plataformas cuánticas posibles, resolver ese problema fundamental es muy relevante. Es un bello ejemplo de cómo la respuesta a cuestiones fundacionales puede surgir de cuestiones tecnológicas, igual que la flecha termodinámica del tiempo surgió de la optimización de los motores térmicos», explica con entusiasmo la Dra. Auffèves.

La energética cuántica a la vanguardia de los fundamentos de la propia física cuántica

Abrir las capas de la abstracción para comprender lo que ocurre realmente dentro de una computadora cuántica es fundamental para plantear preguntas profundas sobre la naturaleza de la energía, el ruido y la computación a nivel cuántico. Alexia reflexiona sobre cómo su investigación ofrece una ventana a esa indagación filosófica y científica, que nos desafía a replantearnos qué significa “costo energético” en el mundo cuántico.

Se trata de una investigación impulsada por la curiosidad, no por la utilidad, por el deseo de captar lo que realmente significa la energética cuántica en su esencia.

«Mi investigación consiste en comprender los mecanismos fundamentales que rigen los flujos de energía, entropía e información a nivel cuántico, y cómo estos comportamientos escalan hasta el nivel macroscópico. Esta línea de investigación denominada energética cuántica es joven, fundamental y tiene un valor intrínseco, al margen de cualquier consideración tecnológica. Es muy importante subrayar que la QEI no sólo promueve una investigación de base tecnológica. También fomentamos este núcleo fundamental de la energética cuántica. Está impulsado por la curiosidad y últimamente ha desencadenado una serie de nuevas cuestiones apasionantes, como los motores accionados por mediciones, ¡en los que basta con mirar un sistema cuántico para ponerlo en movimiento! »

La Dra. Alexia Auffèves explica amablemente qué es la energética cuántica.

«Se inspira en la termodinámica clásica, cuya primera motivación es convertir la «energía desordenada» (calor) de los baños calientes en otra útil y controlable (trabajo). Eso se llama motor térmico, y la termodinámica nos dice cuál es su eficiencia máxima, que es un límite fundamental. Una segunda motivación es invertir los flujos naturales de calor, lo que tiene un coste de trabajo: esto se llama nevera, y también tiene un límite fundamental. Ahora bien, lo que desempeña el papel del calor en la física cuántica es el ruido cuántico (como la decoherencia), que procede del acoplamiento a baños que no tienen necesariamente una temperatura bien definida. Por eso hablo de energética cuántica y no de termodinámica cuántica (donde las temperaturas desempeñan un papel central). Uno de los propósitos de este campo es derivar límites fundamentales cuánticos: encontrar el coste energético mínimo para cualquier tipo de proceso cuántico, para cualquier tipo de ruido cuántico. Queremos relacionar la irreversibilidad y el derroche de energía en el ámbito cuántico, donde no hay temperatura de por medio. Esta línea de investigación trata de comprender los fundamentos de la física cuántica con sondas energéticas y entrópicas».

Aunque gran parte de la investigación cuántica actual está impulsada por la carrera hacia la innovación y la comercialización, sigue existiendo una búsqueda más silenciosa y profunda, que plantea cuestiones fundamentales sobre la naturaleza de la energía, el ruido y la irreversibilidad a nivel cuántico.

En un mundo cada vez más marcado por las preocupaciones energéticas y los imperativos climáticos, mujeres científicas excepcionales, como la Dra. Alexia Auffèves, e iniciativas como el QEI, iluminan el sendero hacia la innovación responsable, al tiempo que son pioneras en la investigación fundamental de la mecánica cuántica. Es hora de impulsar el futuro cuántico, con precisión, propósito y sostenibilidad.

El futuro cuántico no tiene por qué repetir los errores del pasado digital. Puede ser mejor, si empezamos ahora.