Las tecnologías cuánticas para una evolución industrial sostenible

Las tecnologías cuánticas para una evolución industrial sostenible

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Las tecnologías cuánticas tienen la capacidad de resolver los problemas más complejos de esta década

En el blog de TECNALIA contamos con tres protagonistas de la revolución cuántica: Carlos Kuchkovsky, Esther Villar e Iñigo Arizaga.

Estamos en etapas emergentes del desarrollo de esta tecnología disruptiva y todavía con muchas incertidumbres sobre el impacto de su aplicación comercial a corto plazo. Sin embargo, en comparación con cómo se han desarrollado otras tecnologías, la carrera en cuántica y los avances obtenidos en los últimos dos años son realmente espectaculares.

Estos avances exponenciales y su carácter disruptivo hacen de este campo de conocimiento un foco de singular interés para la industria en un contexto en donde la tecnología cobra cada vez más protagonismo para resolver los enormes retos económicos, sociales y medioambientales, que como sociedad tenemos por delante.

Queremos conocer por qué son importantes estas tecnologías, por qué debemos incorporarlas en la agenda y cómo abordarlas.

¿Por dónde podemos empezar a hablar de cuántica para captar el interés de los y las responsables de las organizaciones y empresas locales?

Carlos Kuchovsky

Empecemos hablando de la transformación digital. Tras la aceleración de estos dos últimos años, espoleada por la COVID-19, la transformación digital ya está plenamente asumida como una palanca clave de competitividad por las empresas de todo tipo. Su impacto en el desempeño organizacional en términos de rentabilidad, crecimiento, posicionamiento o innovación varía de una aproximación a otra, condicionada por múltiples factores difíciles de generalizar, pero la percepción general es que el desarrollo persistente de los procesos de transformación digital acaban proporcionando resultados y construyendo organizaciones que son mejores y más resilientes.

El siguiente paso es elevar el propósito de esta transformación digital. Que no se guíe solamente por el desempeño intra-organizacional y que considere como destino la generación de valor perdurable para todos los grupos de interés de la organización. Los aspectos relacionados con el impacto ambiental, la transición climática y la sostenibilidad, los temas sociales, la integración de la diversidad, la ética en los negocios, etc., son relevantes para este propósito.

Son aspectos que se incorporan en la nueva visión de la Industria 5.0 y tampoco son nuevos en el contexto empresarial: se trata de conceptos que son precisamente de referencia para la inversión socialmente responsable, una inversión que se centra en la forma en cómo integran los factores ASG, Ambientales, Sociales y Buen Gobierno en la organización (o ESG, Environmental, Social and Governance).

Como señala la sexta edición del Observatorio de Inversión ESG, de marzo de 2021, los mayores gestores de activos a nivel mundial se están dirigiendo hacia una casi completa integración de los factores ESG en sus políticas de inversión. Políticamente, la presión para acelerar la transición al cero neto #RaceToZero, y mantener el calentamiento global en el objetivo de 1,5° C de los acuerdos de París y posteriores irá configurando un potente portafolio de instrumentos de financiación para la transición ecológica en esta década. En 2020 se duplicó la inversión global en activos sostenibles respecto a 2019 y en el 2021 se ha vuelto a aumentar considerablemente en lo que será un año récord en financiación sostenible.

Estamos asistiendo a un cambio profundo de prioridad como sociedad para garantizar la prosperidad en el medio y largo plazo. Un negocio que compatibiliza competitividad con progreso sostenible resulta, por tanto, tremendamente atractivo. Y no sólo para para la financiación; lo es para otro gran problema de nuestra industria: la atracción y retención del talento. Esto sin duda interesa a responsables de organizaciones y empresas locales.

¿En qué medida y cómo podemos relacionar la inversión en transformación digital con este propósito más elevado?

Esther Villar

La respuesta está en la inteligencia artificial. Aunque esto parezca una simplificación, la inteligencia artificial es la tecnología clave de la transformación digital, la que destapa realmente todo su potencial.

El fin no es la transformación digital, sino lograr resolver los grandes desafíos tanto a escala micro, empresa a empresa, como macro, para el conjunto de la sociedad relacionados con la salud, el empleo, el medioambiente, la energía, el transporte, la seguridad o la industria. Muchas tecnologías digitales “colaboran” para hacer un mundo más amigable. La Inteligencia Artificial “contribuye” diferencialmente a resolver estos grandes desafíos. La inteligencia artificial nos proporciona en estos contextos el conocimiento para inferir, decidir y actuar en ámbitos críticos, con cada vez mayor ventaja y eficiencia sobre los medios meramente humanos.

A medida que el mundo se va haciendo más interrelacionado, instantáneo y complejo, la optimización global de estos sistemas inteligentes es otro gran reto al que nos enfrentamos, pues no se podrá conseguir mediante la pura optimización de cada uno de los elementos por separado. No será posible orquestar eficientemente la movilidad autónoma, ajustar exactamente la producción de energía al consumo instantáneo, sincronizar perfectamente las cadenas logísticas a las necesidades de producción y suministro, adecuar la producción alimentaria a la demanda y optimizar otros muchísimos más sistemas interrelacionados, sin una interacción compleja de los sistemas de inteligencia artificial que gobiernen los elementos por separado.

Por tanto, el nivel de sofisticación y complicación computacional de estos sistemas de inteligencia artificial se va a ir elevando para lograr esta orquestación y optimización intrasistema e intersistemas que permitan construir un mundo mejor.

 ¿Cómo abordar estos desafíos?

Iñigo Arizaga

La solución a estos desafíos extraordinarios necesita aplicaciones tecnológicas también extraordinarias. No podremos solucionar los desafíos de mañana con las tecnologías de hoy. En este sentido, se nos está abriendo un nuevo campo en nuestra hoja de ruta para ello: la computación cuántica. Cuántica es la tecnología para la supremacía en inteligencia artificial, en optimización, en ciberseguridad. Es cierto que se trata de un campo de conocimiento que en muchos casos está todavía lejos de su aplicación comercial. Existen todavía cuellos de botella importantes, especialmente en la implementación del hardware. Pero el impulso que se está dando a su desarrollo está siendo formidable.

El año 2021 ha sido ejemplar en cuanto a los progresos exponenciales que se han ido alcanzando. La inversión pública para investigación básica está siendo muy, muy intensa; todas las tecnológicas han invertido fuertemente en cuántica y empiezan a ofrecer servicios relacionados; las start-ups en la materia han proliferado, algunas con acento local y se han empezado a consolidar numerosos ecosistemas territoriales para acelerar la innovación, también algunos locales.

Es evidente que cuando se desplieguen plenamente todas estas capacidades, dentro de unos cinco años, cambiarán completamente las reglas de juego y no es una opción a la que se pueda renunciar. Para estar entonces es preciso establecer los cimientos ahora. Las organizaciones van a necesitar desarrollar una combinación de talento singular y compleja para crear aplicaciones con impacto. La combinación de disciplinas de conocimiento y aplicación que se requiere en este campo es muy difícil de generar y copiar, y que requiere, como hemos visto con la IA, un tiempo de capacitación y consolidación sostenido.

¿Cuáles son las características de las organizaciones que se están embarcando en cuántica? ¿Qué tipo de desempeño exitoso buscan? ¿Por qué han considerado la cuántica una prioridad o cómo se alinea esta disciplina con su prioridad?

Carlos Kuchovsky

Siempre hay organizaciones que prefieren esperar a que haya soluciones comercialmente disponibles de las nuevas tecnologías para atajar sus problemas concretos. Y también hay empresas que tienen un perfil más innovador y buscan obtener ventajas competitivas diferenciales explorando iniciativas emergentes, en este caso con la aplicación de las tecnologías cuánticas.

Pero estamos en un contexto en el que las tecnologías y activos digitales están cobrando cada vez más importancia como fuentes de ventaja competitiva y como herramientas al servicio de la misión. Quienes han sabido dónde y cómo innovar mejor con estos activos están agrandando su ventaja respecto a sus competidores con aproximaciones más clásicas o reactivas. En los dos últimos años marcados por la pandemia hemos visto que las compañías de mayor valoración de mercado, intensivas en tecnología digital en su mayor parte, han seguido creciendo a tasas espectaculares.

Energía, salud, farma-bio, movilidad, logística, manufactura y finanzas son sectores pioneros en la investigación, experimentación y generación de casos de negocio usando tecnologías cuánticas.

Estas organizaciones pioneras han visto que es necesario generar el “quantum mindset” adecuado a nivel transversal, equipo directivo, unidades de negocio y equipos técnicos para poder generar los mecanismos de decisión, el talento y ecosistema necesario con los que poder sacar el máximo rendimiento a estas nuevas tecnologías y su impacto para la consecución de la misión y objetivos de cada organización.

Simplificándolo, estas organizaciones tienen claro que la capacidad de analizar grandes volúmenes de datos, generando analítica y modelos predictivos, proporciona las ventajas competitivas para los siguientes años en la transformación digital y sostenible de generación de valor que exigen los clientes, gobiernos, reguladores y el conjunto de la sociedad.

La computación cuántica combinada con la AI permiten poder explotar la cantidad creciente de datos, y su complejidad de análisis de esta década.

¿Cuáles son las principales barreras que estas organizaciones y empresas están encontrando?

Esther Villar

Como señalábamos se trata de tecnologías que, aunque se están desarrollando de manera exponencial, se encuentran todavía en fases muy emergentes. La operación física de los sistemas cuánticos -el hardware- no es suficientemente robusta, aunque se ofrecen servicios en la nube desde los proveedores tecnológicos, normalmente con aproximaciones híbridas cuánticas – convencionales. En estas condiciones actuales de computación cuántica “intermedia” y con errores no resulta fácil demostrar ventajas nítidas en aplicaciones comerciales ya que muchos casos son todavía experimentales. Esto podría desanimar la decisión de invertir en cuántica. Pero es importante considerar que el acceso a estas capacidades en la nube permite reducir drásticamente el coste de entrada. También, hay aproximaciones más consolidadas con las que se pueden trabajar, como quantum annealing para problemas de optimización, que son muy habituales en el mundo industrial.

Desarrollar algoritmia nativa para el hardware cuántico es otro obstáculo en el que se está trabajando intensamente. El máximo provecho del paradigma cuántico se logra con el diseño de un cuerpo algorítmico propio. Hay formas de acercarse de manera pragmática mediante el desarrollo de algoritmos de inspiración cuántica y simuladores.

En nuestro caso, en esta línea de trabajo estamos desarrollando soluciones de optimización con aproximaciones cuánticas que, con las limitaciones tecnológicas actuales, son todavía para pequeños problemas. Nos enfocamos a problemas que puedan escalar en complejidad; de esta manera, a medida que el hardware cuántico se desarrolla, nuestras soluciones algorítmicas nativas en tecnologías cuánticas podrán escalar fácilmente y dar respuesta a la complejidad completa de los problemas abordados. Los temas de rutado, optimización de embalajes, optimización de activos en tiempo real, comparación de redes o grafos, programación de tareas o detección de anomalías son algunos ejemplos en este sentido dentro del ámbito industrial.

Como ocurre siempre con la aparición de nuevas tecnologías, para las empresas y organizaciones locales el mayor obstáculo es dotarse de las capacidades que les permitan comprender el impacto preciso en el negocio y desarrollar los activos necesarios. Si ya sucedió con la IA hace algunos años, en el caso de cuántica el problema es mucho más agudo porque, como estamos viendo, su despliegue está siendo aún más exponencial. Cada vez es más difícil para las organizaciones adaptarse a los ritmos de las transformaciones tecnológicas y la de cuántica será realmente compleja. Por ello, es muy importante dotarse de capacidades que puedan integrarla en el negocio en las primeras etapas para poder explotar su potencial diferencialmente a medida que se desarrollen.

¿Qué está haciendo TECNALIA en este campo del conocimiento y cuál está siendo su impacto?

Iñigo Arizaga

En TECNALIA, como principal referente en investigación aplicada y desarrollo tecnológico, estamos ya trabajando en determinados ámbitos relacionados con la implementación de modelos IA bajo el paradigma de la computación cuántica, con énfasis en los algoritmos de optimización cuánticos y en la cibersegurización. En cierta medida, la computación cuántica sirve a las mismas necesidades que la IA y es por lo que hemos construido un nuevo equipo, Quantum Technologies, que se nutre fundamentalmente de personas especialistas en estas disciplinas, en general, muy próximas al mundo de la optimización y Machine Learning. En este campo de la optimización estamos encontrando cada vez más algunos problemas complejos que son impracticables de resolver con las tecnologías de IA convencionales. Los algoritmos cuánticos pueden realizar determinadas operaciones más rápido y más eficientemente que los convencionales.

Además de la computación cuántica, estamos también explorando otras aplicaciones industriales de las tecnologías cuánticas relacionadas con la sensorización de muy alta resolución y las comunicaciones ciberseguras, para lo que hemos montado en 2021 un laboratorio especializado. Ambos tipos de aplicaciones cuánticas son claves en el contexto industrial al que nos enfocamos. Tenemos aplicaciones de cifrado post-cuántico y hemos experimentado con aplicaciones de QKD – Quantum Key Distribution.

En cuanto al impacto caso a caso de este tipo de aplicaciones es casi imposible de determinar en estos momentos ya que no es posible todavía medir la mejora sobre los sistemas convencionales, al estar trabajando con sistemas cuánticos en etapas muy tempranas y procesos de negocio muy específicos para las tareas que se pueden acometer. Aunque empiezan a aparecer datos de impacto concretos en algunos casos, la mayoría de las referencias son generales para determinados procesos.

Por ejemplo, las estimaciones de impacto en términos de eficiencia energética de los propios sistemas de computación, que con los sistemas convencionales se calculan entre el 1,5 % y el 3 % del consumo energético global, son muy significativas. Operaciones para las que un superordenador convencional puede necesitar días, un ordenador cuántico necesita fracciones.

En 2019 Google publicó que su procesador Sycamore de 53 cúbits completó una tarea en 200 segundos que una supercomputadora de última generación tardaría 10,000 años en completar. Aunque sea aparentemente un ejemplo anecdótico, la demanda de gestión de datos y de su procesamiento inteligente de alta complejidad computacional va a seguir creciendo para resolver tanto los grandes desafíos de orquestación que citábamos anteriormente como otros muchos más. Otras estimaciones hacen referencia al impacto que la simulación tiene en el esfuerzo y tiempo para el diseño de materiales, polímeros, moléculas o proteínas. Es recurrente en este sentido la referencia al proceso Haber-Bosch de generación de amoniaco, cuya producción es responsable de un 1 % del consumo de energía global y del 1,4 % de las emisiones de dióxido de carbono, y el impacto que tiene por tanto la mejora en este proceso con la ayuda de la computación cuántica.

La supremacía cuántica otorga la supremacía en inteligencia artificial. Para la industria, la tecnología cuántica es un instrumento formidable para una transformación digital que compatibilice competitividad, responsabilidad social y respeto al medio ambiente.

Nuestra propuesta de valor en este ámbito se orienta, por un lado, a preparar a la industria para su evolución sostenible con la aplicación de las capacidades cuánticas y, por otro, a acelerar el despliegue de aplicaciones con tecnologías cuánticas, priorizando el impacto y contribuyendo a minimizar el riesgo e incertidumbre de este campo del conocimiento en las primeras etapas.

Transformamos investigación tecnológica en prosperidad: TECNALIA

Para ayudar a las empresas y organizaciones a enfocar y priorizar sus actuaciones en cuántica hemos diseñado un starter kit. El objetivo de este servicio es ayudar a la organización a comprender las posibilidades de la cuántica en su negocio específico, priorizar posibles oportunidades en clave de impacto y estructurar iniciativas concretas. Responde a la pregunta de cómo enfocar la estrategia en cuántica de la organización. Todo ello con un alcance fuertemente acotado para que sea fácilmente asumible para el equipo de dirección de la organización.

Nuestra misión es transformar investigación tecnológica en prosperidad y construir un mundo mejor a través de la investigación tecnológica y la innovación, incrementando el impacto positivo de nuestra actividad en diferentes dimensiones como son la económica, la científico-tecnológica, la social y la medioambiental.

Queremos contribuir investigando, ideando y diseñando soluciones tecnológicas innovadoras que desarrollen todo el potencial de las tecnologías cuánticas para la sostenibilidad social, económica y medioambiental. Aportamos talento especializado, una extensa capilaridad sectorial y nuestra capacidad de construcción de iniciativas en un mundo que será cada vez más interconectado, automatizado y complejo.

Sobre Guillermo Gil Aguirrebeitia

Coordinador del Clúster de Conocimiento en Tecnologías de la Información y de la Comunicación, una comunidad de práctica de cerca de 350 especialistas para el desarrollo de conocimiento especializado.

Trabaja también como diseñador e intra-emprendedor de negocios emergentes alrededor de las TIC. Ingeniero de Telecomunicación, cuenta con más de 28 de experiencia en el ámbito de la I+D, con una potente base en el desarrollo de equipos, desarrollo de negocio de base tecnológica y diseño estratégico.

Participa en numerosos foros y Grupos de Trabajo nacionales e internacionales relacionados con las TIC y el desarrollo de la Sociedad de la Información.