Tecnologías cuánticas, una revolución tecnológica que ya está en marcha

18 octubre, 2022
Foto: Rawpixelcom en Freepik. 

(Més avall trobareu la versió en català d’aquest contingut: Tecnologies quàntiques, una revolució tecnològica que ja està en marxa.)

Actualmente, estamos inmersos en la segunda revolución cuántica, derivada de la creciente capacidad de medir, manipular y controlar los estados cuánticos de la materia. En los primeros decenios del siglo XX, la mecánica cuántica empezó a consolidar su explicación de la materia y la energía a nivel de átomos y fotones, y, especialmente después de la segunda guerra mundial, permitió el desarrollo de tecnologías de lo que conocemos como primera revolución cuántica, como la electrónica o los chips basados en semiconductores, dispositivos médicos como la resonancia magnética nuclear o la tomografía por positrones, y otros como el láser y las comunicaciones basadas en fibra óptica. 

En la actual segunda revolución, que podemos ubicar desde inicios del siglo XXI, la humanidad comienza a utilizar los fenómenos más paradójicos de la mecánica cuántica, como la superposición o el entrelazamiento, lo que algunos llaman el deep quantum, el hecho cuántico profundo, para fundamentar el desarrollo de las tecnologías cuánticas (TQ), que permitirán mejores prestaciones y aplicaciones imposibles hasta la fecha en ámbitos como la computación, las comunicaciones, la sensórica y la metrología. 

Mencionar algunos conceptos especialmente representativos, como el qubit (bit cuántico), que es la traslación a TQ del conocido bit o unidad de información en las tecnologías digitales o también llamadas clásicas. El qubit es la unidad básica de información cuántica: es un sistema cuántico con dos estados fundamentales, |0⟩ y |1⟩ y que pueden estar en estado de superposición, de combinación de los dos estados: α|0⟩ + β|1⟩. Algunos ejemplos son el spin del electrón (spin-up o spin-down) o la polarización de un fotón (vertical u horizontal).

En cuanto a aplicaciones, podemos destacar el impacto de la computación cuántica, que dará lugar a un salto exponencial en las capacidades de computación, con aplicaciones en la resolución de problemas de optimización, de factorización, de simulación compleja en general y el modelado molecular como caso más específico, de machine learning, y otros que actualmente son “imposibles” por el tiempo necesario para resolver o que son realizados con un coste energético extremadamente elevado. Esta capacidad, por otra parte, amenaza la seguridad de las comunicaciones actuales basada en la dificultad de resolver un problema computacionalmente complejo, como es por ejemplo la factorización de números primos en los que se basan algoritmos de intercambio de clave pública ampliamente utilizados como el Diffie-Hellman. El algoritmo cuántico para factorizar rápidamente números grandes existe desde 1994 y fue formulado por Peter Shor, pero todavía no existe un ordenador cuántico de suficiente potencia y fiabilidad para ejecutarlo.

Por otro lado, las comunicaciones cuánticas permiten solventar este reto precisamente utilizando sistemas de distribución cuántica de claves, que permiten comunicaciones incondicionalmente seguras gracias a aprovechar fenómenos cuánticos como la no clonación (los qubits no se pueden copiar) y la medida cuántica, que colapsa el estado cuántico (pasamos de una magnitud física indeterminada, la superposición, a un valor determinado); esto es detectable y permite identificar que existe un intento de intromisión en las comunicaciones. El primer protocolo que permite la creación y el intercambio cuántico de una clave criptográfica fue diseñado por Charles Benett y Giles Brassard en 1984. Se llama BB84. 

En el horizonte se prevé el desarrollo de una Internet Cuántica que permitirá la conexión de redes de dispositivos de información cuántica, computadores y sensores, pero que necesita el desarrollo de dispositivos que llamamos repetidores cuánticos y que deben superar el reto que supone el hecho mencionado de que no podemos copiar los qubits ni medirlos sin alterarlos. Por tanto, los mecanismos actuales de amplificación y regeneración de señales y paquetes de información actuales no nos sirven. 

En cualquier caso, este horizonte no significa la sustitución de la Internet, tal y como la conocemos actualmente; deberíamos hablar mejor de complementariedad, de una hibridación entre ambas, en la que, por ejemplo, las redes y mecanismos digitales actuales aportan la capacidad de gestión y control de los dispositivos cuánticos, y estos proporcionan mejores prestaciones y nuevas capacidades a las primeras que, por otra parte, serían imposibles de conseguir.

Estamos en un momento de fuerte inversión en la investigación y el desarrollo de estas tecnologías, en todo el mundo. Especialmente relevantes son China y Estados Unidos, y en este segundo, es de destacar la implicación de grandes empresas tecnológicas y de impacto mediático relevante, en una carrera junto con China por lo que se venido llamando la supremacía cuántica, para ver quien desarrolla el computador cuántico con más qubits y que finalmente demuestre que supera en prestaciones a la tecnología más avanzada en computación clásica.

Cabe destacar también la relevancia Europea en este ámbito, donde por ejemplo ha sido líder en la producción científica en los últimos años, pero que a nivel de patentes y empresas China y EEUU van a la cabeza. A nivel Español y en Cataluña en particular, también tenemos una base científica importante y centros de investigación de primer orden en estas tecnologías, y no faltan las start-ups y spin-offs de algunos de estos centros que comienzan a hacerse un hueco en el sector. 

A nivel de investigación y formación podríamos decir que hasta la fecha ha sido un ámbito especialmente dominado por los físicos y el ecosistema que les rodea, pero tampoco es menos cierto que el nivel de desarrollo de las TQ, y en algunas más que en otras, comienza a demandar cada vez más la intervención de otras disciplinas tecnológicas. Recuerdo aquí el comentario anterior: las TQ en general, y en el caso del desarrollo de un nuevo paradigma de Internet que incorpore la Internet Cuántica, necesita la intervención de especialistas y tecnólogos tanto en “clásicas como en cuánticas”.

Considerando el desarrollo de nuevas tecnologías y modelos de negocio asociadas a ellas, las universidades tienen el reto de seguir formando a profesionales cada vez más versátiles y con mayores competencias para adaptarse y liderar los cambios. Desde la UOC apostamos por una formación de calidad para hacer frente a los retos y oportunidades que van a aparecer. Las titulaciones del ámbito de la Ingeniería de Telecomunicación de la UOC, como son el Grado de Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación y el Máster Universitario de Ingeniería de Telecomunicación, participan de los y las profesionales que deben ser actores clave en la sociedad del futuro.

Tecnologies quàntiques, una revolució tecnològica que ja està en marxa

Foto: Rawpixelcom en Freepik. 

Actualment, estem immersos en la segona revolució quàntica, derivada de la creixent capacitat de mesurar, manipular i controlar els estats quàntics de la matèria. En els primers decennis del segle XX, la mecànica quàntica començà a consolidar la seva explicació de la matèria i l’energia a nivell d’àtoms i fotons, i, especialment després de la Segona Guerra Mundial, va permetre el desenvolupament de tecnologies del que coneixem com a primera revolució quàntica, com l’electrònica o els xips basats en semiconductors, dispositius mèdics com la ressonància magnètica nuclear o la tomografia per positrons, d’altres com el làser i les comunicacions basades en fibra òptica.

En l’actual segona revolució, que podem ubicar des d’inicis del segle XXI, la humanitat comença a utilitzar els fenòmens més paradoxals de la mecànica quàntica, com la superposició o l’entrellaçament, allò que alguns anomenen el deep quantum, el fet quàntic profund, per a fonamentar el desenvolupament de les tecnologies quàntiques (TQ), que permetran millors prestacions i aplicacions impossibles fins a la data en àmbits com la computació, les comunicacions, la sensòrica i la metrologia.

Mencionar alguns conceptes especialment representatius, com el qubit (bit quàntic), que és la translació a TQ del conegut bit o unitat d’informació en les tecnologies digitals o també anomenades clàssiques. El qubit  és la unitat bàsica d’informació quàntica: és un sistema quàntic amb dos estats fonamentals, |0 i |1 i que poden estar en estat de superposició, de combinació dels dos estats: α|0 + β|1. Alguns exemples són el spin de l’electró (spin-up o spin-down) o la polarització d’un fotó (vertical o horitzontal).

Quant a aplicacions en podem destacar l’impacte de la computació quàntica, que ha de portar un salt exponencial en les capacitats de computació, amb aplicacions en la resolució de problemes d’optimització, de factorització, de simulació complexa en general i el modelatge molecular com a cas més específic, de machine learning, i d’altres que actualment són “impossibles” pel temps que caldria per resoldre o que són realitzats amb un cost energètic extremadament elevat. Aquesta capacitat, per altra banda, amenaça la seguretat de les comunicacions actuals basada en la dificultat de resoldre un problema computacionalment complex, com és per exemple la factorització de nombres primers en què es basen algorismes d’intercanvi de clau pública abastament utilitzats com el Diffie-Hellman. L’algoritme quàntic per factoritzar ràpidament números grans existeix des del 1994 i vas ser formulat per Peter Shor, però encara no existeix un ordinador quàntic de prou potència i fiabilitat per a executar-lo.

Per altra banda, les comunicacions quàntiques permeten solucionar aquest repte precisament emprant sistemes de distribució quàntica de claus, que permeten comunicacions incondicionalment segures gràcies a aprofitar fenòmens quàntics com la no clonació (els qubits no es poden copiar) i la mesura quàntica, que col·lapse l’estat quàntic (passem d’una magnitud física indeterminada, la superposició, a un valor determinat); això és detectable i permet identificar que hi ha un intent d’intromissió en les comunicacions. El primer protocol que permet la creació i l’intercanvi quàntic d’una clau criptogràfica fou dissenyat per Charles Benett i Giles Brassard el 1984. S’anomena BB84.

En l’horitzó es preveu el desenvolupament d’una Internet Quàntica que permetrà la connexió de xarxes de dispositius d’informació quàntica, computadors i sensors, però que necessita el desenvolupament de dispositius que anomenem repetidors quàntics i que han de superar el repte que suposa el fet mencionat que no podem copiar els qubits ni mesurar-los sense alterar-los. Per tant, els mecanismes actuals d’amplificació i regeneració de senyals i paquets d’informació actuals no ens serveixen.

En tot cas, aquest horitzó no significa la substitució de la Internet tal com la coneixem actualment; hauríem de parlar millor de complementarietat, d’una hibridació entre les dues, en la que per exemple, les xarxes i mecanismes digitals actuals aporten la capacitat de gestió i control dels dispositius quàntics, i aquests proporcionen millors prestacions i noves capacitats a les primeres que, d’altra banda, serien impossibles d’aconseguir.

Estem en un moment de forta inversió en la recerca i desenvolupament d’aquestes tecnologies, arreu del món. Especialment rellevants són la Xina i els Estats Units, i en aquest segon, és de destacar la implicació de grans empreses tecnològiques i d’impacte mediàtic rellevant, en una cursa juntament amb la Xina per allò que s’anomena la supremacia quàntica, per veure qui desenvolupa el computador quàntic amb més qubits i que finalment demostri que supera en prestacions a la tecnologia més avançada en computació clàssica.

Cal destacar també la rellevància Europea en aquest àmbit, on per exemple ha estat capdavantera en la producció científica en els darrers anys, però que pel que fa a patents i d’empreses la Xina i els EEUU van al capdavant. A nivell Espanyol i a Catalunya en particular, també tenim una base científica important i centres de recerca de primer ordre en aquestes tecnologies, i no falten les start-ups i spin-offs d’alguns d’aquests centres que comencen a fer-se un lloc en el sector.

En l’àmbit de la recerca i la formació podríem dir que fins a la data ha estat un àmbit especialment dominat pels físics i l’ecosistema que els envolta, però tampoc és menys cert que el nivell de desenvolupament de les TQ, i en algunes més que en d’altres, comença a demandar cada cop més la intervenció d’altres disciplines tecnològiques. Recordo aquí el comentari anterior: les TQ en general, i pel cas del desenvolupament d’un nou paradigma d’Internet que incorpori la Internet Quàntica, necessita la intervenció d’especialistes i tecnòlegs tant en “clàssiques com en quàntiques”.

Considerant el desenvolupament de noves tecnologies i models de negoci associades a elles, les universitats tenen el repte de seguir formant professionals cada cop més versàtils i amb majors competències per adaptar-se i liderar els canvis. Des de la UOC apostem per una formació de qualitat per a fer front als reptes i oportunitats que apareixeran. Les titulacions de l’àmbit de l’Enginyeria de Telecomunicació de la UOC, com són el Grau d’Enginyeria de Tecnologies i Serveis de Telecomunicació i el Màster Universitari d’Enginyeria de Telecomunicació, participen dels i les professionals que han de ser actors claus en la societat del futur.

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Autor / Autora
Ingeniero de Telecomunicaciones, Máster en Fotónica y en Ingeniería Biomédica. Profesor Asociado de los Estudios de Ingeniería, Multimedia y Telecomunicación de la UOC. Investigador en Tecnologías para la Internet Cuántica – Área de Comunicaciones Espaciales en la Fundación i2CAT.
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