Tribuna GRD: Hacia una tecnología cuántica útil para la industria
La tecnología cuántica es uno de los ámbitos con mayor potencial crecimiento. Aunque su desarrollo y uso se encuentra en un momento incipiente, las posibilidades y soluciones que aportará son aún inimaginables. Andrea Rodríguez Blanco, responsable de tecnologías cuánticas en Gradiant, comparte en esta Tribuna GRD un símil bastante clarificador: al igual que en los años 40-50 del siglo pasado no pudieron predecir de qué forma se desarrollaría la computadora ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer, en sus siglas en inglés) hasta llegar a los ordenadores personales actuales, es muy difícil calcular las soluciones tecnológicas que pueden surgir del desarrollo de la tecnología cuántica.
No obstante, la investigación ha empezado a dar sus frutos. Una muestra son los resultados en sistemas de medida con sensores cuánticos o en ciberseguridad y criptografía. Son estas áreas en las que trabaja Gradiant y están relacionadas con sus tres grandes ejes transversales de investigación: conectividad, seguridad e inteligencia. Andrea Rodríguez, explica que desde su departamento están desarrollando proyectos con sensores atómicos para comunicaciones avanzadas aportando una mayor precisión y sensibilidad; así como algoritmos para criptografía post-cuántica, que nos ayuden a preservar nuestra identidad en internet. Además, el equipo contribuye en la utilización de algoritmos híbridos clásicos-cuánticos que permitan resolver problemas de optimización de tareas de planificación en la industria inteligente. En cuanto a los grandes retos de la tecnología cuántica, Andrea Rodríguez señala dos muy relevantes. Estos son el desarrollo y la mejora del hardware para poder aprovechar todas las posibilidades de la tecnología.
¿En qué ámbitos está poniendo Gradiant su foco?
El desarrollo y la inclusión de tecnologías cuánticas que estamos siguiendo en Gradiant está, desde el principio, alineado a las tres grandes áreas de especialización del centro que son: la conectividad, la seguridad y la inteligencia. Atendiendo a las necesidades de estas líneas, detectamos que la inclusión de tecnología que aproveche las propiedades de los sistemas cuánticos podría suponer una ventaja competitiva en ciertos casos de uso respecto a las prestaciones que ofrecen las tecnologías actuales.
En el ámbito de las comunicaciones destacamos los proyectos que estamos llevando a cabo con sensores atómicos para la monitorización espectral de banda ultraancha. La importancia de los sensores cuánticos basados en átomos radica en tres características fundamentales: la versatilidad, la universalidad y la portabilidad, siendo esta aún mayor cuando se trabaja con ellos a temperatura ambiente. Pueden usarse para múltiples propósitos; desde mediciones de campo eléctrico y magnético, imagen por terahercios hasta su caso de uso más consolidado que son los relojes atómicos. La respuesta de los átomos ligada únicamente a constantes físicas fundamentales hace que las tecnologías cuánticas basadas en átomos se puedan usar para definir estándares de medida.
Seguridad y Criptografía
En el ámbito de la seguridad encontramos por una parte la distribución segura de claves a través de mecanismos cuánticos (QKD) y, por otro lado, la criptografía post-cuántica que se encarga de hacer algoritmos de cifrado resistentes a ordenadores cuánticos. En este caso, siguiendo el papel relevante que tiene la Universidad de Vigo en el campo de las comunicaciones cuánticas seguras, nuestro objetivo es extender el caso de uso de nuestros sensores atómicos al de memorias cuánticas y así proveer a nivel de hardware de estos dispositivos que pueden ayudar a extender la distribución segura de claves por fibra óptica en el visible o en el telecom más allá de 100-200 kilómetros, qué es donde se encuentra el límite actual
Finalmente, en el eje de inteligencia, buscamos posicionarnos más en el diseño y desarrollo de software que haga uso de las ventajas que ofrecen los esquemas cuánticos. Son varios los algoritmos propuestos que, aprovechando las propiedades de los sistemas cuánticos, permiten resolver problemas de forma más eficiente e incluso dar respuesta a otros que ni siquiera se pueden resolver hoy en día con los ordenadores más potentes. Sin embargo, en la actualidad, los ordenadores cuánticos están formados únicamente por decenas de bits cuánticos o qubits y son altamente susceptibles al ruido. Es lo que se conoce en la comunidad cuántica como dispositivos cuánticos de tipo NISQ (Noisy Intermediate Sized Quantum) devices.
Desde Gradiant buscamos desarrollar e implementar algoritmos híbridos clásicos-cuánticos en los procesadores de tipo NISQ para la resolución de problemas de optimización de tareas de planificación para la industria 4.0 y de aprendizaje automático cuántico para la clasificación de imágenes y la detección y clasificación de señales de comunicaciones.
¿Cuáles son los próximos retos en el ámbito de la tecnología cuántica?
Uno de los mayores retos en todas las tecnologías cuánticas es el desarrollo y la mejora del hardware. Si bien es cierto que afecta en mayor medida a la parte de computación porque es en esta donde se requiere hacer uso de un mayor número de qubits, las mejoras en el hardware afectan de forma transversal a todas las tecnologías cuánticas.
Por ejemplo, sin el hardware adecuado, algoritmos puramente cuánticos como un Shor (factorización de números primos de forma exponencialmente más rápida) o un Grover (búsqueda de un elemento en una lista no ordenada con una ventaja cuadrática) no tendrán ninguna repercusión. Para ello, no es suficiente con aumentar el número de qubits en los procesadores cuánticos, que también. Además, es necesario aumentar la conectividad, es decir, el número de qubits que pueden ser entrelazados cuánticamente. Se tiene que disminuir los ratios de error, aumentar los tiempos de coherencia, implementar técnicas de corrección de errores,… Son un conjunto de mejoras experimentales y técnicas que nos permite implementar el número de puertas cuánticas lógicas que sean necesarias para ejecutar un algoritmo.
Es por eso que a corto-medio plazo se trabaja en el desarrollo de procesadores y algoritmos híbridos clásico-cuánticos. En ellos, las plataformas cuánticas actuales trabajan como coprocesadores de los ordenados clásicos. Además, los algoritmos que se diseñan no son puramente cuánticos, sino que se ejecutan total o parcialmente en ordenadores clásicos.
¿El sector de la tecnología cuántica tiene ‘pulmón’ en España?
Sí, sí que lo tiene. En mi opinión es verdad que quizá nos subimos un poco tarde a la ola en algunas áreas. Por ejemplo, en el desarrollo de hardware para computación cuántica. A decir verdad, creo que desde España siempre hay mucho escepticismo a la hora de invertir en hardware de tecnologías emergentes. Esto nos restringe mayoritariamente al desarrollo de software.
Dicho esto, uno de los mayores ‘pulmones’ en España viene del software y desarrollo de algoritmos híbrido clásico-cuánticos para acelerar las aplicaciones en optimización, inteligencia artificial y aprendizaje automático. En este ámbito el número de iniciativas y financiación público-privada ha ido aumentando con proyectos como Quantum Spain y CUCO, este último subvencionado por el CDTI.
El otro gran ‘pulmón’ sería el del área de comunicaciones cuánticas y QKD. A través de centros como la Universidad de Vigo, la Politécnica de Madrid, el ICFO de Barcelona o el CSIC de Sevilla, entre otros, España siempre ha tenido una participación relevante en proyectos europeos en el área de las comunicaciones cuánticas.
Desde Gradiant queremos contribuir al desarrollo de algoritmos que ayuden a potenciar sectores en los que trabajamos desde hace años. Estos son en su mayoría en el ámbito de las telecomunicaciones. También queremos posicionarnos en el ámbito de la sensorización y metrología con el desarrollo de hardware.
Qué aplicaciones tiene la tecnología cuántica en la actualidad
Las tecnologías cuánticas se suelen clasificar en los siguientes dominios: sensorización cuántica y metrología, comunicaciones cuánticas y, simulación y computación cuántica. En todas ellas, el uso de ciertas propiedades como la superposición cuántica, el entrelazamiento y la interferencia se aprovecha para mejorar las capacidades de los sistemas de medida, para transmitir información de forma más segura y para un aumento en la capacidad de procesamiento de la información. En la actualidad las tecnologías cuánticas más viables y con mercados mayores son aquellas que recaen en las áreas de sensorización y comunicaciones cuánticas. Algunos ejemplos son: los sensores de tiempo, gravímetros, sensores de campos electromagnéticos e inerciales usados extensamente para aplicaciones de navegación y posicionamiento. La distribución segura de claves por fibra óptica, aire o satelital ya provee un alto nivel de seguridad. En la actualidad se usa en varios países tanto en el sector público, a nivel militar y gubernamental, como en el sector privado. Sin embargo, una vez que la computación cuántica pueda aplicarse a la resolución de problemas reales, se espera que sea la que tenga una mayor tasa de crecimiento anual en comparación con el resto de tecnologías cuánticas.
¿Conocemos el alcance que pueden llegar a tener las tecnologías cuánticas?
Yo creo que aún no somos capaces de predecir todo el alcance que las tecnologías cuánticas puedan tener y los problemas que se podrán resolver con ellas. Es como si nos remontamos a los años 40-50 del siglo pasado con las primeras máquinas como la ENIAC. Estaba destinada a la resolución numérica de problemas balísticos que ocupaba una superficie de 167 metros cuadrados. Pesaba 27 toneladas. 40 años más tarde comenzamos a tener los primeros ordenadores personales y teléfonos móviles. No hubiéramos sido capaces de pensar en 1947 cómo esas máquinas iban a cambiar nuestras vidas. Personalmente, no sé si las tecnologías cuánticas pueden llegar a generar un impacto similar al que tuvo la computación clásica en nuestras vidas. Sí creo que nos ayudarán a resolver ciertos problemas que serían imposibles de resolver sin aprovechar las propiedades cuánticas de la naturaleza.
¿Qué tendencias en tecnología cuántica veremos en el próximo año?
Creo que este año se verán importantes avances en el alcance de la QKD y del internet cuántico y sus ámbitos de aplicación. Actualmente estas vías de comunicaciones cuánticas están limitadas mayoritariamente a áreas metropolitanas debido a las pérdidas que sufren los fotones con la distancia. Es por eso que se esperan nuevos prototipos de memorias y repetidores cuánticos que permitan mejorar la infraestructura para un internet cuántico más robusto. Por otro lado, creo que se seguirán extendiendo los sistemas criptográficos cuánticos para la protección de datos en diversos campos y, se avanzará en miniaturización del hardware para los sistemas QKD y generación cuántica de números aleatorios (QRNG) y su la integración en circuitos integrados que permite instalarlos en dispositivos comunes. En la parte de computación, se espera que aumente su uso a través de la nube como Software as a Service (QUSaaS). También, que se siga trabajando en el desarrollo de algoritmos cuánticos para optimización, aprendizaje automático cuántico y para nuevos materiales.
En lo relativo a la sensorización, aparecerán sensores cuánticos con mayor sensibilidad y/o para más casos de uso; para sistemas de posicionamiento que no dependen del GPS y para la monitorización de un mayor número de parámetros medioambientales.
