Cuando hablamos de tecnologías cuánticas, nos referimos a un conjunto de disciplinas avanzadas que aprovechan las propiedades únicas de la mecánica cuántica, tales como la superposición e interferencia de estados o el entrelazamiento de partículas cuánticas. Estas tecnologías incluyen la sensorización y metrología cuántica, que permite mediciones con una precisión sin precedentes; las comunicaciones cuánticas, que prometen una seguridad inquebrantable en la transmisión de datos y la computación y simulación cuántica, que tienen el potencial de resolver problemas complejos que están fuera del alcance de los ordenadores clásicos. En esta entrada del blog, nos adentramos en la explicación de qué son y en qué se basan este tipo de tecnologías y su potencial para generar un impacto indescriptible en nuestras vidas.
Toda esta familia de tecnologías cuánticas está relacionada por un elemento común fundamental: el uso de distintas energías de una plataforma física, tal como electrones en un material, fotones (partículas individuales de luz), u otros sistemas de la naturaleza para codificar información. Por ejemplo, los electrones en un átomo pueden estar en orbitales más cercanos al núcleo o más alejados, y su energía será diferente: al ser excitados mediante la absorción de luz subirán su energía; mientras que al decaer esta energía volverán a su estado inicial. Conseguir controlar de forma individual esas transiciones energéticas permite su uso para almacenar información, lo cual constituye la base de los conocidos cúbits. Un estado energético inferior puede ser considerado como un 0, mientras que un estado energético superior podría considerarse como un 1.
Un aspecto fundamental de la mecánica cuántica se basa en el hecho de que no es posible conocer de forma exacta en qué estado se encuentra el sistema físico durante el proceso de interacción y control, exceptuando en el momento de realizar una medición. En consecuencia, se considera que el sistema físico o de cúbits está en un estado de superposición hasta que esa medida proyecte el estado hacia uno u otro nivel energético. Así, estadísticamente, múltiples mediciones podrían derivar en distintos resultados, siendo el resultado preciso el fruto de la consideración estadística de múltiples medidas. Este principio de superposición hace que se abra la posibilidad de obtener un sinfín de resultados distintos, ya que no sólo será posible obtener 0 o 1, sino resultados que combinen distintas proporciones de 0 y 1. Si imaginamos que tenemos múltiples partículas y medimos el resultado final de todas ellas, el número de opciones sería abrumadoramente amplio, como resultado de la interferencia entre todas las combinaciones estadísticas posibles. Cabe destacar que, al realizar una medición, destruimos el estado cuántico superpuesto y determinamos el estado final de la medida individual, bien sea un 0 o un 1, por lo que esta no puede volver a un estado de superposición de nuevo.
Adicionalmente, se ha demostrado que las partículas cuánticas, tales como fotones, electrones, átomos, etc., pueden interactuar y generar el conocido entrelazamiento cuántico, por el cual esa interacción hace que queden conectados sus estados. Este aspecto, es especialmente relevante en comunicaciones, ya que dos partículas que están entrelazadas permitirían transmitir información a distancia: si en un punto obtenemos una medida que transporta un 0 o un 1, en otro punto alejado, una partícula entrelazada con la anterior entregará una información recíproca. Este fenómeno es muy poderoso, ya que permite transmitir información a distancia sin necesidad de destruir el estado cuántico de superposición de ambas partículas, sino que determinando (midiendo) el valor de una de ellas, conoceremos inmediatamente el de su partícula entrelazada.
En el pasado, hemos vivido la Primera Revolución Cuántica, por la que los principios físicos fundamentales de la mecánica cuántica se estudiaron en profundidad y se comenzaron a utilizar para generar tecnologías de alto impacto en nuestro día a día, como los semiconductores, origen de la electrónica y de dispositivos como los transistores, los láseres o las células fotovoltaicas. En la actualidad, estamos inmersos en la era tecnológica conocida como la Segunda Revolución Cuántica, en la que el grado de control sobre los procesos cuánticos con instrumentación de alta precisión es tan preciso, que se pueden utilizar los elementos de la naturaleza para crear una nueva generación de tecnología cuántica con un potencial extraordinariamente disruptivo, abriendo así un cambio de paradigma en ámbitos como la metrología, las comunicaciones y la computación.
Sensorización cuántica
Los citados cúbits presentan una gran estabilidad y sus energías pueden ser controladas con exactitud mediante el uso de instrumentación de alta precisión, por lo que cualquier influencia externa a ese cúbit puede modificar la energía del mismo. Como resultado, estas plataformas físicas pueden emplearse como dispositivos de medida o sensores cuánticos, detectando la huella de cualquier señal externa. La sensorización o metrología cuántica está revolucionando la precisión de las mediciones científicas, permitiendo un control más exacto debido a que la inigualable precisión con la que se conocen las energías de objetos cuánticos abre la puerta a monitorizar una amplia amalgama de perturbaciones externas de distinta naturaleza: electromagnética, mecánica, gravitacional, térmica, etc. Asimismo, los avances en la tecnología de medición, junto a la capacidad de detectar cambios en partículas (cuánticas) individuales, permite la detección con una sensibilidad sin precedentes. Esta extraordinaria sensibilidad y especificidad de los sensores cuánticos, combinada con su precisión superior en la recopilación de información y su naturaleza no invasiva está transformando el campo de la biomedicina. Estos sensores pueden detectar mínimas variaciones en las características físicas o químicas y diferenciar entre moléculas o señales estrechamente relacionadas, aumentando significativamente tanto su precisión como su sensibilidad y ensanchando los horizontes del diagnóstico biomédico.
Por ejemplo, un sensor cuántico es capaz de detectar las señales e impulsos producidos por una sola neurona en el cerebro con resolución espacial en la detección de la misma a nivel sub-celular. Esta capacidad única los convierte en herramientas prometedoras para una amplia variedad de aplicaciones, que abarcan sectores como la medicina, la química y la farmacéutica, así como la energía, el medio ambiente, la logística, el transporte, la exploración espacial y la defensa.
Las aplicaciones de la sensorización cuántica son vastas y el impacto en nuestras vidas está siendo profundo. Por ejemplo, la gravimetría cuántica se está utilizando para detectar yacimientos de petróleo al sondear el subsuelo sin necesidad de perforaciones. En la investigación científica y la climatología, los sensores cuánticos ofrecen un avance sin precedentes en el monitoreo del planeta y sus cambios, mientras que en la navegación permiten mantener el rumbo sin depender de puntos de referencia externos. En la investigación biomédica, los sensores cuánticos ofrecen nuevas metodologías para resonancia magnética nuclear de alta precisión y menos invasiva. En telecomunicaciones, la metrología cuántica ofrece la posibilidad de detectar señales radioeléctricas indetectables para sensores tradicionales, abriendo un amplio abanico de posibilidades en múltiples sectores. Los relojes atómicos de alta precisión han permitido refinar el estándar de unidad de tiempo y ya se usan para sincronización de comunicaciones de alta precisión, siendo un elemento fundamental en las comunicaciones GPS.
En Gradiant, trabajamos con distintas tecnologías y plataformas de sensorización cuántica, desde sistemas de átomos controlados por láser para detección de señales de radiofrecuencia en los ámbitos de defensa y telecomunicaciones, hasta plataformas en defectos de diamante sintético integrados en chips capaces de monitorizar propiedades térmicas, magnéticas o radioeléctricas. El objetivo general de nuestros proyectos consiste en generar la tecnología de hardware cuántico para distintas aplicaciones metrológicas y validar su eficiencia en entornos operativos relevantes, con el fin de acercar estas tecnologías a aplicaciones innovadoras. Algunos de ellos son Quantum Cognitive Digital Industry, 6G Diferente, PROPHET y DIAMONITRO AIE .
Comunicaciones cuánticas: distribución cuántica de claves
En el ámbito de las comunicaciones cuánticas, la comunidad científica y tecnológica trabaja con tesón en la creación de redes de distribución de información generada y propagada mediante el uso de fotones individuales y entrelazados. Este conjunto de técnicas de transmisión de información encriptada se denomina distribución cuántica de claves (QKD, por sus siglas en inglés) y explota estos principios cuánticos de entrelazamiento y superposición para crear un sistema de comunicación completamente seguro. La información codificada en fotones de luz en estados cuánticos de cúbits (entrelazados) es transmitida por canales comunicativos tales como fibra óptica, espacio libre tierra-satélite o satélite-satélite, siendo, en teoría, imposible de interceptar sin ser detectada. Esto es así porque cualquier ataque por parte de agentes externos haría que ese estado cuántico colapsase por la propia observación no autorizada, avisando a los propietarios del canal comunicativo de ataques de terceros. Esto hace que las comunicaciones cuánticas sean indescifrables, por lo que esta tecnología es especialmente atractiva para sectores que requieren altos niveles de seguridad, como en los departamentos gubernamentales, las instituciones financieras y las organizaciones de defensa.
El aumento de las preocupaciones en torno a la ciberseguridad está acelerando el desarrollo de la criptografía cuántica. Los métodos criptográficos convencionales están mostrando una creciente vulnerabilidad frente a los ataques basados en tecnología cuántica, lo que subraya la urgencia de buscar alternativas más seguras. En este contexto, la criptografía cuántica, y en particular la distribución de claves cuánticas (QKD), emerge como una solución efectiva al aprovechar los principios fundamentales de la mecánica cuántica para establecer canales de comunicación seguros. La intensificación y sofisticación de los ciberataques, así como la vulnerabilidad de los algoritmos criptográficos de tipo RSA a nuevas tecnologías como la computación cuántica ha puesto en evidencia las limitaciones de los sistemas criptográficos tradicionales, llevando a gobiernos y organizaciones a investigar e invertir en tecnologías que puedan resistir los desafíos cuánticos. Esta creciente preocupación por la seguridad informática está impulsando significativamente el avance de la criptografía cuántica, orientando el sector hacia el desarrollo de técnicas de comunicación que ofrecen una protección robusta y fundamentalmente segura.
En Gradiant, trabajamos para desarrollar y madurar diversos aspectos tecnológicos en el ámbito de las comunicaciones cuánticas. Por un lado, realizamos una labor de integración de hardware de comunicaciones cuánticas en redes de comunicaciones tales como redes 5G.para garantizar su securización. Asimismo, diseñamos sistemas de recepción opto-electrónicos para la detección del canal de comunicación cuántica en enlaces tierra-satélite y satélite-satélite, así como el sistema de gestión de claves (KMS –Key Management System –) para el uso seguro de las mismas. Con el fin de extender el uso de protocolos QKD a comunicaciones y redes de larga distancia, Gradiant desarrolla hardware físico-cuántico capaces de operar como repetidores de comunicaciones cuánticas, protegiendo y retransmitiendo la información sin perturbar el estado cuántico transmitido.
Computación y simulación cuántica
La computación cuántica, por su parte, tiene el potencial de cambiar el paradigma en la resolución de problemas complejos. A diferencia de los ordenadores clásicos, que procesan información en bits binarios (0 o 1), los ordenadores cuánticos utilizan cúbits, que pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo gracias al fenómeno de la superposición cuántica. Esta capacidad permite que los computadores cuánticos realicen cálculos en paralelo, resolviendo problemas que con las tecnologías actuales llevarían siglos en apenas unos segundos. En este ámbito, uno de los aspectos actualmente disruptivos constituye el ámbito de la simulación cuántica, en el que la propia naturaleza del sistema físico-cuántico para mapear problemas matemáticos y observar la evolución del mismo hacia una solución estable. Esto permite obtener la solución a complejos problemas numéricos en fracciones de segundo, mientras que la computación clásica requeriría de supercomputadores o incluso podría ser incapaz de realizarla. Por otro lado, el uso controlado de cúbits individuales y su uso para la implementación de puerta, permite la implementación de algoritmos de computación cuántica específicos ejecutables en procesadores cuánticos de distinta naturaleza.
La computación cuántica destaca por su capacidad para resolver problemas combinatorios y de optimización, así como el potencial para factorizar y llegar a descifrar algoritmos criptográficos como RSA. Esto abre la puerta a desarrollar nueva criptografía (en paralelo a la antes mencionada QKD), desde algoritmos clásicos más poderosos y resistentes a los algoritmos de computación cuántica, englobados en el ámbito de la criptografía post-cuántica. Asimismo, la computación cuántica presenta aplicaciones de enorme impacto en sectores como la optimización logística en múltiples ámbitos, la simulación de materiales o fármacos, el análisis genético y la inteligencia artificial, con la emersión de la denominada inteligencia artificial cuántica (QML –Quantum Machine Learning–)
Un reciente informe de Globant sobre las tendencias tecnológicas para 2024 revela que el mercado de la computación cuántica está experimentando un crecimiento espectacular, proyectándose de 866 millones de dólares en 2023 a 4.375 millones de dólares para 2028, con un aumento anual del 38,3 por ciento. Este crecimiento espectacular no sólo subraya la importancia creciente de las tecnologías cuánticas, sino que también abre nuevas oportunidades para potenciar sistemas de aprendizaje automático e inteligencia artificial (IA), un período que promete redefinir la ciberseguridad, las telecomunicaciones y la computación a nivel global.
Las computadoras cuánticas, con su capacidad única de utilizar cúbits en lugar de bits tradicionales, permiten realizar cálculos con una precisión y velocidad hasta ahora inalcanzables. Esto las hace especialmente adecuadas para aplicaciones que requieren el procesamiento de grandes cantidades de datos, como la investigación en salud, la optimización logística, y la seguridad cibernética.
Por ejemplo, la farmacéutica Merck estima que la computación cuántica podría reducir los tiempos de desarrollo de medicamentos en un 2
En Gradiant, investigamos y desarrollamos algoritmos de computación cuánticas capaces de proveer nuevas soluciones en distintos sectores, con especial foco en aplicaciones en el ámbito de las telecomunicaciones, el procesado de imagen o la optimización de parámetros en sistemas multivariable. Gradiant lidera el proyecto QUORUM, financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico y la Innovación (CDTI) dentro del programa Ecosistemas de Innovación Cervera, con el objetivo de generar conocimiento en el ámbito de la computación cuántica y sus aplicaciones, la transferencia de conocimiento al sector empresarial y la formación de talento. Después de explorar las principales tecnologías cuánticas y sus sorprendentes aplicaciones, desde la sensorización hasta la computación cuántica, es evidente que estamos sólo al comienzo de una revolución tecnológica. Cada avance que hemos mencionado ya sea en la precisión de las mediciones, la seguridad en las comunicaciones o la capacidad de procesamiento de los computadores cuánticos está abriendo un abanico de posibilidades que transformará sectores como la salud, la logística, la energía y más. Pero ¿cómo está posicionándose Europa en este campo frente a la creciente competencia internacional? ¿Qué acciones están tomando los gobiernos y las empresas para liderar esta revolución? En el próximo artículo, profundizaremos en el panorama nacional, europeo e internacional, analizando los avances y desafíos que marcarán el futuro de las tecnologías cuánticas. ¡No te lo pierdas! Quantum Cognitive Digital Industry: 6G DIFERENTE: Centro de Excelencia CerveraEl panorama de las tecnologías cuánticas
