Cada vegada sentim parlar més de computació quàntica, però encara és una desconeguda per a molta gent. Tanmateix, la física quàntica fa dècades que forma part del nostre dia a dia, en els xips del mòbil, els làsers o les ressonàncies magnètiques. La computació quàntica va un pas més enllà: és una nova manera de calcular que aprofita les lleis que regeixen el món dels àtoms i les partícules subatòmiques, amb el potencial de resoldre alguns tipus de problemes que no estan a l’abast dels ordinadors actuals.
Aquesta tecnologia és una de les més prometedores de l’anomenada segona revolució quàntica. Tot i que es troba en fase de maduració, desperta un interès creixent entre les empreses. En sectors com la química i el desenvolupament de fàrmacs, la logística o les finances, ja s’estan estudiant i provant aplicacions concretes.
Eurecat acompanya les empreses en aquesta transició des del 2021 i, amb el nou QuantIA Lab, vol posar la computació quàntica al seu abast amb eines d’emulació i optimització, perquè puguin començar a explorar-ne les possibilitats des d’ara.
L’algorisme de Shor, el punt de partida
Els fonaments de la computació quàntica es van posar a finals del segle XX, i una de les fites clau va arribar el 1994 amb l’algorisme de Shor. El matemàtic Peter Shor va demostrar teòricament que un ordinador quàntic podria factoritzar grans nombres enters, és a dir, descompondre’ls en els seus factors primers, a una velocitat inabastable per als ordinadors clàssics actuals.
Aquest desenvolupament va posar el focus en la computació quàntica, tot i que en aquell moment no existia cap dispositiu capaç d’executar l’algorisme, i va accelerar la cursa per construir els primers ordinadors quàntics reals. Alhora, va alertar de l’amenaça que podia representar per a bona part dels sistemes criptogràfics actuals, que protegeixen les nostres comunicacions amb protocols basats precisament en la factorització de grans nombres.
Del bit al qubit
Per entendre com funciona aquesta tecnologia, cal baixar al component elemental, el qubit, i a les regles de la mecànica quàntica que governen el seu comportament. Un ordinador quàntic no és un ordinador clàssic més ràpid, sinó una màquina que processa la informació a partir de principis físics i formes de programació completament diferents de les de la lògica binària.
Un bit només pot valer 0 o 1. Un qubit, en canvi, pot representar tots dos estats alhora gràcies a la superposició, i vincular-se amb altres qubits mitjançant l’entrellaçament. Aquestes dues propietats de la física quàntica permeten treballar amb un gran nombre de combinacions d’estats, i un tercer fenomen, la interferència, permet augmentar la probabilitat d’obtenir les respostes correctes i reduir la de les incorrectes.
La tecnologia quàntica, però, va molt més enllà de la potència de càlcul i s’estructura en tres pilars que avancen en paral·lel. El primer és la computació quàntica, que permet abordar problemes extremadament complexos per a la computació convencional, com la simulació i el disseny de molècules o l’optimització. El segon són les comunicacions i la criptografia quàntiques, que ofereixen noves formes de protegir la informació transmesa. I el tercer és la sensòrica quàntica, que mesura magnituds físiques amb una precisió extraordinària i obre noves possibilitats en medicina, geologia o sistemes de posicionament i navegació, fins i tot sense cobertura de sistemes per satèl·lit com el GPS o el Galileo.
Al costat d’aquests tres pilars, i com a conseqüència del potencial de la computació quàntica, cal afegir la criptografia postquàntica. No és una tecnologia quàntica, sinó clàssica, i desenvolupa nous sistemes criptogràfics capaços de resistir l’amenaça que Shor va anticipar.
El potencial empresarial de la computació quàntica
A curt termini, l’interès de les empreses es concentra, d’una banda, en la computació quàntica, per les oportunitats que pot oferir, i, de l’altra, en la criptografia postquàntica, per la urgència de blindar els sistemes d’informació corporatius.
En el cas de la computació quàntica, les possibilitats es troben en problemes amb tantes variables i restriccions que la computació clàssica no els pot resoldre en un temps raonable. És el cas d’alguns problemes d’optimització, com el modelatge i l’equilibri de xarxes de distribució elèctrica.
Aquest potencial es concreta en tres grans àmbits. L’optimització quàntica ataca problemes de planificació amb moltes restriccions simultànies, com organitzar la producció d’una planta química o dissenyar centenars de rutes de repartiment. L’aprenentatge automàtic quàntic, en canvi, treballa amb grans volums de dades per classificar, detectar patrons i anticipar comportaments. I la simulació quàntica permet estudiar com es comporten molècules i materials abans de sintetitzar-los o fabricar-los.
Tot plegat pot tenir impacte en sectors molt diversos: des de la salut i la biotecnologia, amb el descobriment de fàrmacs i l’anàlisi genòmica, fins a la química i els materials avançats, la robòtica i la fabricació, o l’energia i el medi ambient.
L’avantatge quàntic a la indústria, encara a l’horitzó
Ara bé, bona part d’aquest potencial està per materialitzar. Es parla d’avantatge quàntic per referir-se al moment en què els ordinadors quàntics resoldran problemes reals amb un rendiment superior al dels convencionals, mesurat en temps de càlcul o en cost energètic.
En la majoria dels casos, encara no hi hem arribat: els qubits són fràgils i propensos a errors, i desenvolupar la correcció d’errors necessària per construir ordinadors tolerants a fallades continua sent un dels grans reptes científics i d’enginyeria.
Que l’avantatge quàntic no sigui una realitat no vol dir que calgui esperar. Aprofitar aquesta tecnologia no requereix tenir un ordinador quàntic, sinó aprendre a formular els problemes en llenguatge quàntic, i això ja es pot fer avui amb maquinari clàssic.
Una porta d’entrada: l’emulació i la inspiració quàntiques
L’emulació quàntica permet aprendre, investigar i plantejar casos d’ús com es faria amb un ordinador quàntic real, però amb processadors d’electrònica clàssica. Els emuladors reprodueixen el comportament dels qubits com si funcionessin en un ordinador quàntic ideal, és a dir, sense errors ni soroll. Així es poden dissenyar circuits quàntics i validar algorismes abans de portar-los al maquinari real.
A més de l’emulació, hi ha les tecnologies d’inspiració quàntica, com el digital annealer: maquinari clàssic dissenyat per reproduir algunes estratègies d’optimització dels ordinadors quàntics especialitzats en aquesta tasca, coneguts com a quantum annealers. El seu objectiu és trobar solucions òptimes entre un nombre enorme de combinacions possibles.
Segons Adan Garriga, investigador principal de la Línia de Recerca de Computació Quàntica d’Eurecat, no cal esperar al futur per treure profit de la quàntica: combinant aquestes dues tecnologies amb la computació d’alt rendiment (HPC), avui ja es poden abordar reptes empresarials de gran complexitat computacional.
No cal esperar els ordinadors quàntics del futur, avui ja podem abordar reptes empresarials de gran complexitat computacional.
—Adan Garriga, investigador principal de la Línia de Recerca de Computació Quànticad’Eurecat
Com començar a aplicar la quàntica a l’empresa
La qüestió, però, no és només disposar d’aquestes tecnologies, sinó saber-les aplicar. Aquí és on entra l’experiència d’Eurecat, que fa anys que treballa amb empreses en projectes de computació quàntica.
Aquesta col·laboració comença molt abans de qualsevol algorisme: primer cal identificar els casos d’ús on la quàntica pot aportar valor, dibuixar un full de ruta i formar l’equip intern. A partir d’aquí, les aplicacions varien segons el repte de cada empresa, i el resultat pot anar d’un estudi de viabilitat o una prova de concepte fins a un programari desenvolupat a mida.
Els beneficis es poden obtenir en dos terminis. Avui, els mètodes d’inspiració quàntica i els sistemes híbrids, que combinen eines quàntiques o emulades amb HPC, ja poden reduir el temps de càlcul i els costos en problemes d’optimització concrets. A més, l’empresa valida els seus casos d’ús abans d’invertir i capacita el seu equip sense haver de comprar cap infraestructura, de manera que estarà preparada quan el maquinari quàntic arribi a la maduresa.
Una infraestructura oberta a les empreses
Totes aquestes tecnologies conviuen al QuantIA Lab, la infraestructura d’emulació i optimització quàntica d’Eurecat a Cerdanyola del Vallès, única a Catalunya i oberta a les empreses.
L’equipament, que completarà la seva implantació a principis del 2027, combina un emulador de portes quàntiques de 34 qubits, un digital annealer capaç d’abordar problemes combinatoris de fins a 100.000 variables i un clúster de computació d’alt rendiment (HPC) que fa possibles les solucions híbrides.
Com explica Joan Mas, director científic de l’Àrea digital d’Eurecat, molts sistemes quàntics actuals necessiten condicions operatives molt exigents, com ara temperatures properes al zero absolut, i estan sotmesos a errors a causa de la inestabilitat dels qubits. L’emulador i el digital annealer, en canvi, funcionen amb electrònica de semiconductors convencional.
L’emulador i el digital annealer funcionen amb electrònica convencional, sense les temperatures extremes ni els errors dels sistemes quàntics actuals.
—Joan Mas, director científic de l’Àrea digital d’Eurecat
La inversió en el QuantIA Lab supera els 7 milions d’euros, dels quals 1,4 milions provenen del programa Singulars Institucionals del Departament de Recerca i Universitats i 2,1 milions estan cofinançats pel Fons Europeu de Desenvolupament Regional (FEDER) a través del projecte Quant-IA.
Però la proposta de valor d’Eurecat va més enllà de la infraestructura: inclou l’acompanyament d’un equip multidisciplinari que combina física quàntica, intel·ligència artificial i programari, i que ajuda a fer la traducció més difícil de totes, la d’un problema de negoci a un algorisme.
No partim de zero
Darrere del QuantIA Lab hi ha cinc anys de recorregut. El centre va obrir una línia d’R+D en programació quàntica el 2021 i, des d’aleshores, ha participat en diversos projectes col·laboratius.
Un dels més rellevants ha estat la xarxa Cervera ARQA, amb CTIC i ITG, que entre el 2023 i el 2025 va desenvolupar demostradors en classificació d’imatges satel·litals, optimització del repartiment energètic i detecció de frau. Eurecat va coordinar el primer: una eina que identifica i classifica elements com rius, boscos o ciutats en imatges del satèl·lit Sentinel-2, comparant computació convencional, quàntica simulada i quàntica pura.
El relleu l’ha pres ARQADE, que fins al 2028 porta aquesta feina als àmbits de la seguretat i la defensa, i on Eurecat participa a través del QuantIA Lab. En paral·lel, l’equip treballa en criptografia postquàntica i en aprenentatge automàtic quàntic híbrid.
Fins on ens pot portar
Quan els ordinadors quàntics siguin plenament operatius i tolerants a fallades, el salt serà d’un altre ordre de magnitud: nous fàrmacs, materials sostenibles inèdits i optimització a una escala avui impensable.
Per això, la computació quàntica aplicada a la indústria ha deixat de ser una qüestió d’espera. És una qüestió de preparació. Les empreses que avui aprenguin a formular els seus problemes en clau quàntica, validin casos d’ús i capacitin els seus equips estaran en millor posició per aprofitar l’avantatge quàntic quan arribi. El QuantIA Lab posa a la seva disposició les eines i el coneixement per començar aquest camí.
