Tecnologías cuánticas: qué son y por qué los países invierten en ellas

Cuando te hablan de teletransporte hay dos opciones: si los que viajan son humanos, es ciencia ficción; si son partículas, estamos hablando de tecnologías cuánticas. Con lo útil que sería que pudiésemos chasquear los dedos y aparecer en otro lugar, las propiedades en la no ficción se limitan a partículas subatómicas por ahora. Lo fascinante es que eso ya es muchísimo. 

La aplicación de la física cuántica está abriendo la puerta a la posibilidad de una nueva era tecnológica. Aunque los científicos son cautelosos, el entusiasmo invade el momento que estamos viviendo. Estamos a varios -o más bien muchos- años de camino de un posible gran cambio tecnológico al que varios países, entre ellos España, ya están destinando inversiones. 

En junio un experimento de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) probó algo más que el teletransporte de partículas (cúbits), como hemos contado en Newtral. Consiguió que esos cúbits transmitieran información a otros más allá de los más cercanos. 

El sueño de una internet cuántica invadió titulares porque los avances son científicos, aunque falte mucho para llegar. Esto puede ser un “primer paso (muy preliminar) hacia una red cuántica de comunicaciones”, explicó Carlos Sabín, del Instituto de Física Fundamental (CSIC), en SMC España. Más tarde este año, el Nobel de Física este año cayó sobre Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger, los pioneros de la información cuántica. 

Un campo joven con inversión pública 

Actualmente en el mundo se mueven unos 30.000 millones de financiación gubernamental para desarrollar tecnologías cuánticas, que son consideradas estratégicas en la escala de la seguridad nacional y la macroeconomía. Lo son por las áreas en las que tendrá impacto: servicios financieros, logística, transporte, industria aeroespacial y automovilística, ciencia de los materiales, energía, agricultura, farmacéutica y ciberseguridad. 

China ha tomado claramente la delantera. Su inversión pública para tecnologías cuánticas es de 15.000 millones de dólares, según señala un informe de McKingsey de diciembre de 2021. 

Veintisiete estados europeos firmaron el año pasado un compromiso único para desarrollar una Infraestructura de Comunicación Cuántica (EuroQCI), junto a la Comisión Europea y la Agencia Espacial Europea (ESA). El objetivo: hacer posible que las administraciones públicas dispongan de un canal ultraseguro para transmitir y guardar información, y salvaguardar la infraestructura crítica y los sistemas de encriptación en la Unión Europea en la próxima década.

A China entonces le sigue la Unión Europea (con 7.200 millones), Estados Unidos (1.300 millones), Reino Unido (1.200 millones) e India y Japón con 1.000 millones cada uno. El mismo informe señala que dado que la computación cuántica es todavía un campo joven, la mayor parte de la financiación de la investigación básica en el área sigue procediendo de fuentes públicas. Aún economías más pequeñas, como Canadá, Singapur, o Israel tienen programas nacionales dedicados a tecnologías cuánticas. 

Qué hacemos con tecnologías cuánticas en España

En España está en marcha el programa “Quantum Spain” en el seno del Centro de Supercomputación de Barcelona (BSC), además de los Planes Complementarios de Comunicación Cuántica, en los que participan algunas comunidades autónomas.

Seis de ellas (Castilla y León, Cataluña, Galicia, País Vasco, Madrid y Comunidad Valenciana) están embarcadas en un proyecto sobre comunicaciones cuánticas, en el que también participa el CSIC. El proyecto, cofinanciado entre estas autonomías y el Estado nacional, cuenta con 77 millones de euros de financiación, para probar la capacidad de desarrollar redes de comunicación cuántica. 

Esta futura red se coordina con la estratégica europea, tanto del Quantum Flagship como de la European Quantum Communications Infraestructures (EuroQCI). “De ahí que el nombre que le hayamos puesto a la red en Madrid sea MadQCI”, explica el coordinador de este proyecto nacional, Vicente Martín, que trabaja en Comunicaciones Cuánticas desde hace 15 años y también es director del Centro de Investigación de Simulación Computacional de la Universidad Politécnica de Madrid. 

Madrid viene experimentando con redes cuánticas desde 2009. A través de varios proyectos, algunos de la misma Comunidad, pero en particular los europeos CiViQ, del Quantum Flagship Program, y del proyecto OpenQKD -en el que participan la Universidad Politécnica, Telefónica e IMDEA Software- han montado la que es en la actualidad la red cuántica más grande que ha habido nunca en Europa. “La EuroQCI pretende crear una red de comunicaciones cuánticas que conecte las principales capitales de Europa y MadQCI será parte de ella”, dice Martín. 

Cúbits y bits

Lo de las partículas que teletransportan información es sólo el comienzo. El enorme potencial que tienen los ordenadores cuánticos se entiende cuando repasamos algunos principios fundamentales de la mecánica cuántica. 

Un cúbit, qubit o bit cuántico, es la unidad más pequeña de información manipulada por un ordenador cuántico, similar a un bit en los ordenadores convencionales. Lo fascinante de los cúbits es que a diferencia de los bits, no tienen un valor único en un momento dado. Lo que tienen es una combinación de los estados cero y uno simultáneamente, mucho de uno y poco de cero, o viceversa, o lo mismo de ambos. En esto consiste el principio de la superposición de estados. 

En un ordenador tradicional la cantidad de información con la que podemos trabajar utilizando una determinada cantidad de bits tiene un tamaño determinado, pero en un procesador cuántico de cúbits un estado concreto de la máquina es una combinación de todas las posibles colecciones de unos y ceros. 

El efecto a distancia de las partículas que describimos arriba como teletransporte  técnicamente se llama entrelazamiento cuántico, y es un fenómeno que no tiene equivalente en la física clásica. 

Los objetos que lo tienen comparten propiedades, su estado es el mismo: lo que le pasa a uno repercute automáticamente en el otro, aunque esté en la otra punta del universo. Los cúbits pueden entrelazarse con otros cúbits de la red sin necesidad de conexión, y allí aparece la idea de una internet cuántica: construir una red de bits cuánticos en los que la información se transmita sin necesidad de conexión por vías como cables, fibra óptica, o aire. 

Las tecnologías cuánticas se apoyan en las leyes de la física cuántica para permitirnos ir más allá: sentir de manera más aguda, lo que hace la metrología y la sensorización cuánticas; analizar más velozmente (computación cuántica), comunicar de manera más segura (comunicación cuántica) producir mensajes imposibles de hackear (criptografía cuántica), o ver desde nuevos ángulos y con más claridad (simulación cuántica). 

Qué países están en la carrera de las tecnologías cuánticas

Europa y Estados Unidos han liderado tanto la computación cuántica como lo relacionado con la física cuántica, pero Europa se ha quedado detrás en lo relativo a la industria. “Nos hemos quedado rezagados en la parte industrial implicada en la construcción de ordenadores cuánticos, en gran parte porque en Europa no existe tanto emprendimiento tecnológico”, dijo Ignacio Cirac, uno de los científicos más relevantes en el área de la computación cuántica, en una entrevista a Xataka. 

En agosto se celebró el primer foro sobre tecnologías cuánticas con participación de la academia, no sólo de la industria como había sucedido hasta ahora en este país. El Transatlantic Quantum Forum, que organiza la Universidad de Yale, está financiado por el Center for Quantum Networks, que es la iniciativa estadounidense para desarrollar redes de comunicación cuántica en Norteamérica. También participaban la Universidad de California (UCLA) y la Universidad Técnica de Múnich.

La única española en ese encuentro fue María Luque, experta en políticas de desarrollo de tecnologías cuánticas, que participaba como analista. Le preguntamos por qué los países se suben a la carrera de las tecnologías cuánticas. Luque que explica que “la vía más eficiente para despertar el interés de los gobiernos por una nueva tecnología en desarrollo se activa cuando entendemos que esta tecnología puede suponer un riesgo existencial para la seguridad nacional, si su desarrollo lo llevan a cabo países no amigables; o una ventaja competitiva, si lo llevamos a cabo nosotros”. 

En el caso de las tecnologías cuánticas, en la primera década de los 2000 y hasta 2015 empezaron a salir de los laboratorios tres líneas de uso que, según Luque, podían suponer una amenaza a la seguridad nacional o una ventaja competitiva brutal:

• La comunicación cuántica, que permite un nuevo sistema de comunicación basado en la transferencia de información cuántica (qubits) de un lugar a otro. Diferente a nivel de hardware de los sistemas que manejamos actualmente (véase Internet), y con la ventaja de que su hackeo es, a día de hoy, pensado como imposible, puesto que el interceptar los fotones que trasladan la información los desnaturaliza y la información se pierde. La comunicación cuántica se traslada en ciberseguridad fuera de un nivel de competencia. Un gobierno que sea capaz de trasladar información sensible a nivel doméstico o de comunicar inteligencia entre aliados con la seguridad de saber que es inhackeable adquiere poder a nivel geopolítico. 
• La computación cuántica, un músculo de computación tal que permitiría romper las claves asimétricas de cifrado de lo que hoy conocemos como Internet, convirtiendo en vulnerable todo el sistema de comunicaciones global que compartimos, además de los sistemas propios de las infraestructuras críticas de un Estado: telecomunicaciones, energía, transporte, medicina. En manos de gobiernos no amigables o agrupaciones terroristas internacionales, la computación cuántica puede ser una disruptora de la paz social y la estabilidad democrática. Por otro lado, los desafíos globales comunes que experimentamos a día de hoy: médicos, superbacterias resistentes, cambio climático, contarían con una potente herramienta para investigación, prueba y error gracias a los ordenadores cuánticos, y también está en el interés nacional adquirir esta capacidad cuanto antes. Si un país como China se posiciona para descubrir y sintetizar un material que sustituya al silicio o al germano como semiconductores, tendría la capacidad de disrumpir la batalla de intereses geopolíticos alrededor de estos materiales.
• La detección cuántica (quantum sensing), que llevaría a los gobiernos a tener una muy alta precisión en la medición de materiales a escala subatómica, y a mejorar los relojes atómicos que dan soporte al GPS o al sistema Galileo.

Cuánto hay de potencial y cuánto de entusiasmo con las tecnologías cuánticas

Los últimos anuncios en el campo de las tecnologías cuánticas, como la llegada de la supremacía cuántica (el momento en que una computadora cuántica pudo resolver un problema de forma práctica más rápidamente que uno convencional), pueden disparar expectativas que no se cumplirán en un corto plazo. 

Los científicos comparten la cautela. “Tenemos un aparato extraordinario que está basado en unas ideas muy extrañas. Es algo realmente fantástico. Mágico. Difícil de entender. Pero no funciona del todo bien, y tenemos que tener mucha paciencia para mejorarlo y descubrir cómo podemos utilizarlo. Temo que si hacemos promesas que no están lo suficientemente justificadas se produzcan grandes decepciones no solo por parte de los gobiernos y la industria, sino también por parte de la sociedad. No me gustaría que por esta razón perdamos la gran oportunidad que tenemos delante”, decía Cirac. 

La realidad es que hay toda una serie de desafíos técnicos para el hardware y el software de la computación y la comunicación cuánticas, tales como la coherencia, la pérdida de señal energética, el propio diseño técnico de los repetidores y memorias de señal cuánticas, entre muchos otros. 

Volviendo al teletransporte y al sueño de una internet cuántica, y para hacernos una idea de la llegada de la comunicación cuántica, ¿en qué punto estamos? Luque, que lleva cuatro años trabajando con tecnologías cuánticas, explica que en base a su experiencia estamos “en fase de desarrollo ‘pre’ de circuitos cerrados de comunicación de fotones a través de redes de fibra habituales, las que usamos para comunicarnos habitualmente por Internet. Se prueban las comunicaciones en Madrid, en Ámsterdam, en Chicago, en circuitos cerrados y de corto alcance”.

A partir de aquí, “gradualmente, iremos sofisticando la tecnología y sorteando desafíos técnicos, de manera que lleguemos a enviar fotones no de manera superpuesta sobre redes clásicas, si no a través de su propio circuito, y a larga distancia, en tierra y por aire vía satélite”. Pero por ahora, aún estamos probando a superponer pequeños circuitos sobre redes clásicas. 

Y algo más. Como es altamente probable que un solo computador cuántico no tenga el músculo suficiente para poner en práctica esa capacidad de supercomputación que se nos vende, Luque explica que será necesario y más eficiente conectar diferentes ordenadores cuánticos entre sí para ‘sumar’ capacidad de computación.

“Para ello será indispensable que funcionen nuestras tecnologías de comunicación cuántica...  Lo más práctico es pensar en adquirir y probar algoritmos de protección poscuántica a nivel de empresas y gobiernos”. En todo caso, queda un largo recorrido de una década por delante.