Entrevista a Miguel Ferreira Cao, Head of Quantum Technologies

En la carrera global por liderar la revolución cuántica, España ha dado un paso decisivo con la creación del consorcio QUORUM, una iniciativa que agrupa a instituciones científicas, tecnológicas e industriales con el objetivo de impulsar el desarrollo y la aplicación de las tecnologías cuánticas en nuestro país. Comunicaciones ultra seguras, sensores de altísima precisión o relojes atómicos son algunas de las innovaciones que ofrece esta nueva revolución tecnológica.

Para entender mejor el alcance de estas innovaciones y el papel que juega QUORUM en su impulso, conversamos con Miguel Ferreira Cao, Head of Quantum Technologies de Gradiant, del departamento de Comunicaciones Avanzadas – Tecnologías Cuánticas (HoQTech). Miguel es especialista en sensórica y comunicaciones cuánticas, dos pilares fundamentales dentro del área de Tecnologías Cuánticas de Gradiant. 

Curiosidades

¿Cómo descubriste tu vocación por la (física) cuántica?

En general, la física es una disciplina que siempre me ha interesado desde casi la niñez, sin saber siquiera que se trataba de “física” . Desde que tengo recuerdos, me han llamado la atención aspectos anecdóticos como: por qué debajo de la ranura de la puerta se ve tanta luz, por qué aparece el arco iris o cómo funciona el movimiento de los objetos. A día de hoy, puedo relacionarlos con óptica, dinámica, etc., pero lo bonito es que son curiosidades propias de muchos niños y que, muchas veces, esa inquietud científica infantil pasa inadvertida.  Yo diría que no hay un “breakthrough” vocacional per se, sino que, a veces inconscientemente, otras porque los resultados positivos del estudio te llevan a profundizar más y, en ocasiones, por elecciones fundamentadas, como fue la mía.

¿Qué libro, película o experiencia te marcó especialmente en tu carrera científica?

No tengo en mente un libro o película concreto como generador de un cambio vocacional o como algo que haya determinado mi carrera científica. Podría mencionar, antes que cualquier otra cosa, la gran cantidad de documentales que pude ver con mi padre durante mi niñez, desde documentales de naturaleza hasta otros de astrofísica.

Posteriormente, algunas fases de mi experiencia universitaria determinaron en parte mi carácter científico y la toma de decisiones. Por ejemplo, la eliminación de la carrera de Física de la Universidade de Vigo o la eliminación de subvenciones competitivas para investigar en física cuántica experimental en grupos establecidos que en ese momento estaban en el estado del arte, supusieron un golpe de realidad importante: suponía ver que la apuesta en España, en la década de 2000 y 2010, era muy baja y que una universidad moderna y tecnológica como UVigo prescindía de un área de generación de conocimiento y base tecnológica que hoy día vemos como fundamental. 

Si no te hubieras dedicado a la tecnología, ¿qué habrías querido ser?

La realidad es que no lo sé, porque siempre he barajado varias opciones según el contexto. Por un lado, también me encantaban ámbitos tan dispares como la historia o la química. Por otro, he tenido una formación musical relativamente profunda y muchos años de dedicación individual y en diferentes colectivos desde niño, hasta compaginar durante un tiempo el Grado Superior de Música con la Licenciatura en Física. En general, si no hubiese hecho carrera en I+D, es posible que hubiese sido profesor. Enseñar a adolescentes cualquiera de estas disciplinas habría sido algo muy estimulante.

Diferencia entre redes de comunicaciones cuánticas a redes clásicas actuales

Las redes cuánticas presentan diferencias significativas con respecto a las clásicas, tanto el funcionamiento tecnológico para envío de la información como, especialmente, en sus implicaciones de seguridad.
Ambas transmiten los datos mediante ondas electromagnéticas (en frecuencias ópticas o de radiofrecuencia), que en el caso cuántico están llevados a régimen de pocos fotones que permite pasar de bits (0s o 1s) a qubits (con múltiples combinaciones probabilísticas de 0s y 1s con distinta proporción de ambos).  Las redes cuánticas son costosas, ya que requieren de un hardware completamente nuevo, por lo que su uso suele estar reservado a escenarios estratégicos (defensa, espacio, instalaciones críticas, interconexión de computadores cuánticos).

Por otro lado, las redes clásicas tienen ventajas en cuanto a velocidad de transmisión y son más robustas frente a pérdidas, por lo que existe la necesidad de generar nuevos dispositivos cuánticos como repetidores y memorias que preserven la información de los qubits y la retransmitan con sincronización robusta. Asimismo, también permiten autentificar al usuario, mientras que las redes cuánticas todavía necesitan evolucionar para conseguirlo.

Actualmente, ambos tipos de redes comienzan a convivir, a pesar del estado experimental de las redes cuánticas, ya que presentan usos complementarios. 

Sensores cuánticos

Los sensores cuánticos se basan en la manipulación y control preciso de qubits en plataformas físicas con características cuánticas. Un qubit puede representar el nivel de energía de un electrón en un átomo o material controlado con precisión. Bajo radiación electromagnética, los electrones absorben o emiten energía con frecuencias muy concretas, procesos que pueden alterarse por efectos externos (campos electromagnéticos, temperatura, fuerzas). 

A día de hoy, puede decirse que la sensórica cuántica es la familia tecnológica cuántica más cercana al mercado y con distintos casos de éxito demostrados en sectores como biotecnología, diagnóstico clínico, navegación y posicionamiento, detección de anomalías y amenazas u observación terrestre.

Esto los distingue de la computación cuántica, que requiere criogenia para mantener los qubits estables, mientras que los sensores pueden funcionar en condiciones normales, facilitando su integración en aplicaciones reales y reduciendo la instrumentación necesaria.

Por tanto, la sensórica ha aprovechado los avances en hardware cuántico gracias a la compatibilidad en plataformas y sistemas de control. Mientras que la computación exige controlar cada qubit de forma individual, la sensórica mejora controlando simultáneamente muchos qubits, lo que reduce la complejidad y ha permitido un despliegue más amplio de los sensores cuánticos en la actualidad.

Seguridad y cuántica

En los últimos años, se han ido definiendo ámbitos de actuación bastante concretos para las comunicaciones cuánticas en sectores estratégicos. Estamos en un momento geopolítico en el que hay una gran preocupación por la seguridad en todas sus vertientes. Aquí es donde la Distribución Cuántica de Claves (QKD) entra en juego por su robustez por definición ante ataques externos que impide el clonado de la información o su espionaje indetectado. Se están promoviendo aplicaciones en entornos militares, tales como el envío de claves entre centros de mando o entre enlaces tierra-satélite o satélite-tierra. Incluso se comienzan a ver aplicaciones de securización en drones con enlaces de fibra óptica acoplados. En el futuro, las redes cuánticas serán ideales para securizar las comunicaciones intersatelitales o incluso la compartición de clave simultánea entre múltiples nodos estratégicos, en tierra o espacio.

Por otro lado, hay que tener en cuenta que no es viable, ni deseable reemplazar toda la infraestructura de redes de comunicaciones clásicas, con beneficios y usos consolidados durante las últimas décadas, por redes cuánticas, cuyo coste es mucho mayor en la actualidad. Por ello, la seguridad de las redes clásicas está siendo mejorada con nuevas metodologías como la criptoagilidad o, de forma más específica, la Criptografía PosCuántica (PQC, Post-Quantum Cryptography), para hacer los algoritmos de envío de clave más dinámicos, resistentes a ataques y, a su vez, a los desafíos que presenta la Computación Cuántica para romper algoritmos criptográficos previamente establecidos. 

Desafíos técnicos 

En la actualidad, la tecnología habilitante que soporta las redes de comunicaciones cuánticas está todavía en evolución o incluso en desarrollo. Cada lustro, se desbloquearán nuevas posibilidades debido al progreso tecnológico.

A día de hoy, hemos avanzado hasta conseguir láseres robustos capaces de generar fotones de forma confiable, o sistemas de detección, conteo y etiquetado de fotones robustos. Sin embargo, estas tecnologías están en permanente evolución y presentan requerimientos de compactación en chips fotónicos que están siendo abordados en paralelos por múltiples grupos a nivel mundial. La integración de láseres, moduladores de señal o incluso generadores de fotones entrelazados en chips fotónicos permitirá abrir la puerta a la implantación de comunicaciones cuánticas en contextos donde, a día de hoy, es útil pero poco operativa por falta de espacio para integrar los dispositivos.

Por otro lado, el internet cuántico real, basado en redes cuánticas multiusuario, presenta retos como el desarrollo de repetidores cuánticos, dispositivos capaces de recibir un cúbit, almacenarlo y redistribuirlo, protegido frente a pérdidas. Esta tecnología, en estado experimental, abre la puerta a llegar a distancias mucho mayores, así como a mejorar la tasa de transmisión de clave simultáneamente. Con su desarrollo y validación, comenzará a generarse una nueva generación de protocolos de red cuántica actualmente poco explorados, ya que la tecnología se ha centrado, sobre todo, en la transmisión en nodos confiables entre dos puntos. 

Entrevista publicada originalmente en ENTREVISTA A MIGUEL FERREIRA- GRADIANT – Quorum

QUORUM es un proyecto subvencionado por el CDTI y financiado por la Unión Europea – NextGenerationEU. Los miembros de QUORUM son: Gradiant, Cesga, Fidesol, Fujitsu, GAIN, Itecam y QCentroid.

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