La industria cuántica abarca mucho más que la computación cuántica, y está destinada a ser la próxima generación de computadoras personales e industriales súper rápidas. De hecho, la categoría más amplia de tecnologías cuánticas aprovecha el extraño comportamiento de partículas diminutas para una amplia gama de aplicaciones, incluidas herramientas de navegación, tecnología de imagen mejorada y dispositivos de sincronización extremadamente precisos.
Leer acerca de cómo los físicos hablan sobre los fenómenos cuánticos puede ser confuso a veces. Pero todo lo que realmente queremos entender son los efectos básicos de la teoría cuántica en nuestra vida cotidiana y cómo las innovaciones en este campo darán forma al futuro. Para empezar, vamos a explicar qué es la tecnología cuántica y sus principales aplicaciones.
Indice
¿Qué es la tecnología cuántica?
La tecnología cuántica es una clase de tecnología que funciona utilizando los principios de la mecánica cuántica (la física de las partículas subatómicas), incluido el entrelazamiento cuántico y la superposición cuántica.
Tal definición puede hacer que tu cabeza dé vueltas, pero la verdad es que no necesitas saber exactamente qué es la tecnología cuántica para hacer uso de ella. Tu teléfono inteligente es un tipo de tecnología cuántica: sus semiconductores utilizan la física cuántica para funcionar, pero ni tu ni el ingeniero que lo diseñó necesitan conocer los entresijos de la mecánica cuántica.
La razón por la que estamos hablando de tecnología cuántica ahora, 50 años después de que se convirtió en parte de nuestras vidas a través de la energía nuclear, es que las últimas proezas de la ingeniería están aprovechando más el potencial de la mecánica cuántica. Ahora estamos empezando a controlar el entrelazamiento cuántico y la superposición cuántica. Eso significa que la tecnología cuántica promete mejoras para una amplia gama de dispositivos cotidianos, que incluyen:
- Sistemas de navegación y cronometraje más fiables
- Comunicaciones más seguras
- Imágenes de atención médica más precisas a través de la detección cuántica
- Informática más potente.
Todas estas aplicaciones podrían, hasta cierto punto, ser útiles dentro de uno o dos años. Pero es difícil saber cuál será una evolución simple y cuál será verdaderamente disruptiva. Esa incertidumbre brinda una oportunidad a las empresas proactivas, ya que la diferencia entre la evolución y la revolución probablemente será la inversión temprana.
¿Cómo pueden las empresas invertir en tecnología cuántica?
Desde 2015, el gobierno del Reino Unido ha invertido alrededor de 400 millones de libras esterlinas para desarrollar la experiencia cuántica del país. Gran parte del dinero se ha destinado a cuatro centros universitarios, lo que ha producido interesantes desarrollos pero, hasta ahora, poco retorno de la inversión. Esto se debe a que a las universidades les resulta difícil llevar la tecnología a la industria y aplicar sus innovaciones a los problemas del mundo real.
Para explorar cómo superar esto, el gobierno lanzó recientemente una investigación sobre las oportunidades de la tecnología cuántica. El objetivo es convertir al Reino Unido en un líder mundial en el campo trasladando rápidamente los descubrimientos de la investigación del laboratorio a las aplicaciones prácticas.
Por lo tanto, las empresas con visión de futuro para invertir de manera efectiva en tecnología cuántica deben buscar trabajar con centros universitarios y empresas orientadas a los negocios que estén familiarizadas con la tecnología. Las universidades tienen ideas innovadoras basadas en la ciencia, y las empresas tienen los problemas reales que ese ingenio podría resolver. Para alinear estas dos áreas de experiencia, debe haber evaluaciones colaborativas de cómo la nueva tecnología cuántica se compara con las alternativas tradicionales. Solo entonces las organizaciones pueden construir casos de negocios sólidos.
Ese es el enfoque que adoptamos cuando trabajamos con una empresa global para desarrollar un sistema de navegación cuántica . Trabajamos en estrecha colaboración con ellos para explorar sus desafíos y las mejoras que podría tener la tecnología cuántica, creando el caso comercial para el sistema que ahora se encuentra en las primeras etapas de desarrollo.
Los principios detrás de la tecnología cuántica
Es posible que no necesites una comprensión detallada de la tecnología cuántica para beneficiarte de ella, pero si vas a trabajar con universidades para capitalizar sus descubrimientos, sería bueno tener una comprensión básica de lo que están hablando. Entonces, aquí hay una descripción general más breve de dos principios cuánticos que están impulsando los mayores desarrollos en tecnología cuántica.
Entrelazamiento cuántico
El entrelazamiento cuántico es cuando dos átomos están conectados, o entrelazados, a pesar de estar separados. Si cambias las propiedades de uno de ellos, el otro cambia instantáneamente. En teoría, este sería el caso incluso si el universo entero separa los átomos entrelazados. Si eso no fuera lo suficientemente espectacular, la mecánica cuántica dice que simplemente observar un átomo cambia sus propiedades.
Una posibilidad que esto crea es mejorar la seguridad de la comunicación a través de claves cifradas protegidas cuánticas. Puedes usar átomos entrelazados para detectar si alguien ha interferido en la transmisión de datos.
Por ejemplo, puedes tener dos átomos entrelazados con ‘giros’ en sentido horario y antihorario. Se envía un átomo con la clave de cifrado y si un espía intercepta la transmisión, esto provoca un cambio en el «giro» del átomo, lo que afecta el estado cuántico general del sistema y da como resultado la detección del intento de escucha.
Superposición cuántica
La superposición cuántica es la teoría de que las partículas subatómicas existen en múltiples estados simultáneamente. Es el quid del experimento mental del gato de Schrödinger: un gato, un frasco de veneno y una fuente radiactiva están en una caja sellada. Si un contador Geiger detecta radiactividad, rompe el matraz, liberando el veneno y matando al gato. Dado que la detección de radiactividad es un proceso estadístico, el gato puede estar tanto vivo como muerto mientras la caja está sellada, y el resultado solo se confirma cuando abres la caja y observas que el gato está en un estado u otro.
La aplicación práctica de esta alucinante versión de la realidad es más obvia en las computadoras cuánticas. Mientras que las computadoras digitales almacenan datos como bits (los unos y ceros del binario), las computadoras cuánticas usan qubits que existen como uno, cero o ambos al mismo tiempo. Este estado de superposición crea un rango de posibilidades prácticamente infinito, lo que permite cálculos simultáneos y paralelos increíblemente rápidos.
Aplicaciones
A continuación, explicaremos las principales aplicaciones de la tecnología cuántica.
Supercomputación
Una motivación para desarrollar computadoras cuánticas potentes y rápidas es lograr la llamada «supremacía cuántica». Este logro decisivo es más que producir exitosamente computadoras cuánticas que son «mejores» (más rápidas, más poderosas) que las computadoras clásicas; el objetivo final es desarrollar computadoras cuánticas que puedan resolver problemas muy complejos que son prácticamente irresolubles para las computadoras clásicas.
Por ejemplo, se ha demostrado que la tarea de determinar si dos generadores de números aleatorios son totalmente independientes desde el punto de vista matemático requiere demasiado tiempo para que cualquier computadora clásica la resuelva en una cantidad de tiempo práctica, pero se puede resolver mediante un sistema cuántico «muy eficiente». La capacidad de generar verdadera aleatoriedad es extremadamente valiosa para ciertas tareas computacionales, particularmente en criptografía donde se necesitan claves aleatorias, pero la aleatoriedad es, de hecho, muy difícil de crear. Determinar si dos secuencias aleatorias diferentes de números están relacionadas «en secreto» tiene un valor práctico significativo.
En general, se cree que se requiere un dispositivo con al menos 49 qubits para resolver problemas de esta complejidad. Aunque Google anunció en 2017 que se acercaba a este objetivo, solo Intel ha probado un chip de este tamaño.
Actores principales: Google, Microsoft, IBM, Intel, D-Wave, Rigetti
Comunicación
Estrictamente hablando, la «comunicación cuántica» es en realidad más como una comunicación física con soporte cuántico. La transmisión de información, ya sean datos sin procesar o videollamadas, aún requiere las conexiones físicas habituales, pero la información se puede empaquetar y proteger mediante métodos cuánticos. Las técnicas cuánticas también se pueden utilizar para mejorar la eficiencia y la capacidad de los canales de comunicación. La fotónica, el método de utilizar partículas de luz, fotones, para transmitir o transportar información, es un proceso que consume menos recursos, ya que los fotones son más accesibles que otras fuentes de energía y los cables de fibra pesan unas 40 veces menos que los cables que se utilizan actualmente para el teléfono e Internet de banda ancha.
Los investigadores de la comunicación cuántica también esperan que la llamada comunicación «óptica» apoye la creciente demanda de ancho de banda, ya que utiliza un mayor rango de frecuencias que las ondas de radio, por ejemplo, las frecuencias de terahercios de los láseres cuánticos que transmitirían datos cientos de veces más rápido que los actuales.
En el Reino Unido, los investigadores académicos y un pequeño número de entidades comerciales utilizan el Servicio Nacional de Infraestructura de Fibra Oscura, una fibra reservada exclusivamente para la investigación, para probar la comunicación cuántica. Un equipo del University College London usó la red para demostrar que las comunicaciones ópticas tenían el potencial de transmitir datos a 1 TB/s, equivalente a enviar las obras completas de Shakespeare 100 000 veces por segundo.
Criptografía
La técnica más destacada y viable dentro de la comunicación cuántica es la distribución de clave cuántica (QKD). Este es un método criptográfico que explota fenómenos cuánticos como el entrelazamiento y la indeterminación para producir y enviar claves criptográficas de forma segura. Esencialmente, esta es una evolución de los protocolos de seguridad actuales basados en claves que ya se utilizan, pero aprovecha los efectos cuánticos para disminuir el riesgo de intercepción, descifrado, piratería y fuga de datos.
Actores principales: El principal especialista en QKD es la startup suiza ID Quantique. Grandes corporaciones como IBM y Toshiba también tienen programas activos de investigación QKD. BT y Toshiba Research Europe están probando la tecnología fotónica en la red Dark Fiber del Reino Unido.
Sensores, imágenes y medición
Dado que los efectos cuánticos son extremadamente sensibles, una cualidad que en realidad representa un desafío para las computadoras cuánticas, pueden producir herramientas de detección e imagen de alta precisión.
La tecnología comúnmente usa fotones individuales para herramientas como sensores de gravedad, sensores de rotación, sensores magnéticos, relojes atómicos e imágenes.
Estas herramientas se pueden usar para aplicaciones industriales y comerciales, incluida la detección de objetos subterráneos, diagnósticos médicos, sensores de vehículos autónomos, navegación y sincronización precisa para uso militar.
Actores principales: además de nuevas empresas altamente especializadas, como Qnami en Suiza y QLM Technology en el Reino Unido, las grandes empresas que innovan en este espacio incluyen a Bosch, Honeywell, HP, Microsemi y Texas Instruments.
Simulación para investigación y desarrollo
Como consecuencia del progreso en la computación cuántica, ahora hay oportunidades para ejecutar simulaciones virtuales en lugar de investigaciones y experimentos físicos, en sectores como el descubrimiento de fármacos, la producción y la fabricación de materiales.
Para modelos complejos donde las pruebas involucran muchos factores diferentes, por ejemplo, cientos de miles de átomos interactuando, ejecutar una simulación computacionalmente poderosa puede conducir a avances más rápidos y un mayor volumen de investigación. Los problemas complejos ocurren en todos los sectores, incluido el análisis financiero y de tráfico.
Actores principales: D-Wave, Amgen, Biogen, GTN LTD
Desafíos
Estos son los principales desafíos que presenta la tecnología cuántica.
Coste y recursos
Para producir fenómenos cuánticos, los científicos deben controlar cuidadosamente el entorno (es decir, la temperatura) y manipular el material con extrema precisión a escalas diminutas. Las herramientas para hacer esto, como los sistemas de refrigeración y los instrumentos de nanotecnología, representan un gasto enorme, lo que presenta una barrera de entrada importante para las empresas de tecnología cuántica sin acceso a una universidad o laboratorio de investigación.
Muchas tecnologías cuánticas funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto, y ahora existe una tecnología muy confiable para bajar a estas temperaturas, llamada refrigerador de dilución. Es una tecnología muy fiable, pero muy cara: seis cifras, tal vez incluso siete cifras en algunos casos. Es una gran inversión.
Ese es el tipo de equipo que es absolutamente esencial para cualquier tipo de tecnología cuántica de estado sólido para controlar el ruido y los errores que provienen de todas las partículas en el sólido que desean interactuar entre sí.
Para enfrentar este desafío y apoyar a una comunidad emergente de tecnologías cuánticas, el gobierno planea abrir ‘Centros de innovación’ donde las pequeñas empresas pueden compartir recursos esenciales, usar espacios de trabajo conjunto y colaborar.
El primer centro se abrirá en Bristol y ha sido descrito en un anuncio de la universidad como: «la primera instalación dedicada a la innovación de acceso abierto del mundo». Las empresas cuánticas podrán acceder a laboratorios de incubadoras, espacios de oficinas y equipos esenciales de pago por uso.
Muchas incubadoras de startups que ofrecen recursos compartidos todavía se quedan cortas incluso para los equipos técnicos de gama alta más genéricos y fundamentales, como electrónica para pruebas y medidas. Este hardware, que incluye osciloscopios y generadores de patrones de pulso, no es exclusivamente relevante para las empresas cuánticas, y está ampliamente disponible comercialmente, pero inevitablemente será demasiado costoso para que lo compre una empresa emergente.
El desafío es mayor cuando se trata de equipos cuánticos especializados, como herramientas fotónicas para crear y medir luz de baja intensidad.
El modelo tradicional es que compartes este equipo entre personas en el mismo edificio con necesidades similares, pero eso simplemente no existe para las nuevas empresas cuánticas.
Oxford Instruments es un proveedor europeo líder de infraestructura tecnológica para la innovación cuántica.
Lanzamiento para el futuro
El retorno de la inversión es particularmente difícil de predecir para los productos cuánticos. Muchos productos «cielo azul» están muy lejos de estar listos para el mercado y, para algunas tecnologías, el valor real del producto depende del avance de la tecnología cuántica en otras áreas.
Por ejemplo, los productos de software cuántico se vuelven extremadamente valiosos solo después de la proliferación de computadoras cuánticas; La criptografía poscuántica se vuelve más valiosa a medida que aumenta la potencia de la computación cuántica.
Transición de infraestructura
En algunos casos, la implementación de tecnologías cuánticas a escala requiere una revisión significativa de la infraestructura central existente. Los ejemplos incluyen sistemas de cronometraje y navegación, redes de comunicación y protocolos de seguridad de Internet.
Aunque las tecnologías cuánticas brindan oportunidades significativas para mejorar estos sistemas centrales, el período intermedio a medida que se desarrollan, prueban e implementan nuevas tecnologías también presenta nuevos riesgos, como servicios de sincronización poco confiables durante una transición de satélites a relojes atómicos.
El desafío es administrar y mitigar de manera confiable estos riesgos de manera preventiva, incluso los riesgos de tecnologías aún por implementar o tecnologías por desarrollar. Las decisiones deben tomarse ahora con respecto a la protección y mejora de la infraestructura central, como la seguridad de Internet, sin comprender los estándares que debe cumplir la nueva tecnología y sin ninguna información confiable sobre cuánto tiempo esos estándares seguirán siendo apropiados.
La realidad es que tenemos un gran problema próximo en torno a la seguridad cuántica: esta amenaza de que una computadora cuántica pueda romper la seguridad en todas partes. Hay una sutileza a su alrededor, y es que se necesita tiempo para actualizar la infraestructura.
Es un problema relacionado con la vida útil de los datos. Si soy una empresa que envía propiedad intelectual y está encriptada, un pirata informático puede almacenarla y esperar hasta que aparezca una computadora cuántica.
Tecnología a escala
Gran parte del trabajo de las tecnologías cuánticas ahora es ampliar o mejorar las tecnologías cuánticas para crear productos comerciales útiles.
Para crear productos comerciales útiles, cada subsector cuántico tiene que superar límites particulares:
- La computación cuántica aún tiene que alcanzar el poder de procesamiento a gran escala debido a la decoherencia, cuando los sistemas cuánticos interactúan con el entorno externo y se pierden los efectos cuánticos.
- La comunicación cuántica aún tiene que cubrir grandes distancias de una manera eficiente y escalable.
- La simulación cuántica produce resultados que son difíciles de validar y verificar.
- La detección cuántica todavía está sujeta a ruido cuántico (errores resultantes de la incertidumbre cuántica) debido a la alta sensibilidad de la tecnología y pérdidas ópticas (reducciones en la intensidad de la luz debido a interacciones de fotones) que reducen la confiabilidad.
Tecnologías cuánticas en uso
Algunas de las tecnologías que usamos todos los días deben su existencia a nuestra comprensión de la física cuántica. Mencionemos algunas tecnologías cuánticas que ya están en uso:
- Energía nuclear: la teoría cuántica es necesaria para comprender la estructura nuclear. Las partículas constituyentes del núcleo, protones y neutrones, se atraen fuertemente entre sí por las fuerzas nucleares y su colisión crea energía nuclear.
- Reloj atómico: la hora de la red se mantiene mediante relojes atómicos. Utilizan la transición electrónica de un estado a otro como su «péndulo» para producir un «tick» extremadamente estable y repetible.
- Láseres: hoy en día, los láseres son la solución para innumerables problemas en la ciencia, la medicina y las tecnologías cotidianas. Su desarrollo se basó en la teoría cuántica de la radiación de Einstein y desarrollos posteriores en la emisión estimulada.
- Resonancia magnética: si alguna vez has tenido una lesión y se hiciste una resonancia magnética, debes saber que todo eso fue posible gracias a los avances en resonancia magnética nuclear y la teoría cuántica del momento angular de «giro».
- Semiconductores: la semiconductora es un fenómeno mecánico cuántico. Los efectos cuánticos se basan en la semiconductora y los transistores de estado sólido que llevaron a una verdadera revolución electrónica ya la producción en masa de las computadoras clásicas.
- Televisión: un televisor de pantalla plana tiene lo que se conoce como pantalla retroiluminada por LED. Esto utiliza una fuente de luz de bajo consumo conocida como diodo emisor de luz.
Futuras innovaciones en el campo cuántico
Aunque las tecnologías existentes basadas en la física cuántica pueden desarrollarse aún más y elevar los límites conocidos hoy en día, existen ciertas promesas de la teoría cuántica que transformarán el mundo tal como lo conocemos.
Computadoras cuánticas
La información en las computadoras ordinarias toma la forma de dígitos binarios (bits) que solo pueden tener dos estados: 0 o 1. La superposición de bits cuánticos (qubits) permite 0, 1 y una combinación de ambos valores simultáneamente, utilizando las superposiciones de estos dos estados.
La computación cuántica es actualmente el tema más candente entre los inversores. Esto significa que tiene un potencial increíble en términos de velocidad y eficiencia en comparación con las computadoras clásicas. Sin embargo, queda mucho trabajo por hacer antes de que las computadoras cuánticas lleguen al mercado.
Ciberseguridad
En primer lugar, el entrelazamiento de partículas cuánticas es una excelente manera de mejorar la ciberseguridad. Es posible mejorar la seguridad de las comunicaciones con claves de grabación cuánticas protegidas cuando se utilizan átomos entrelazados para detectar si algo interfiere con la transmisión de datos. Además, calcular los factores de un número muy grande (digamos 500 dígitos) se considera imposible para cualquier computadora clásica. El mismo hecho de que factorizar números grandes es difícil incluso para las mejores computadoras del mundo hoy en día.
Simuladores cuánticos
En 1982, el famoso físico Richard Feynman planteó una simulación de sistemas cuánticos. Nos permitirá comprender las interacciones entre átomos y moléculas. Las computadoras cuánticas nos brindarán la oportunidad de estudiar la física cuántica en sí misma de una manera que antes no era posible. Puede, por ejemplo, utilizarse para modelar el comportamiento de las moléculas de fármacos y para diseñar materiales novedosos para baterías o energía más eficientes… lo que sea.
Teletransportación cuántica
La transferencia de información de una partícula a su contraparte entrelazada es la teletransportación cuántica. La conexión entre pares de partículas entrelazadas tiene una cantidad mínima de entrelazamiento necesaria para realizar con éxito la teletransportación cuántica. Los investigadores han realizado muchas demostraciones de esto y, en 2017, un grupo de investigación había teletransportado un fotón desde la Tierra a un satélite que orbitaba a 1400 kilómetros de altura. La teletransportación cuántica también es el centro de los aviones para una Internet cuántica.
El futuro es ahora
La mecánica cuántica es resbaladiza y desafía la comprensión intuitiva. Albert Einstein lo llamó «espeluznante». Nació en 1879. Sin embargo, aquí está, en el aquí y ahora, un fantasma llamando a la puerta de la realidad cotidiana. En un raro consenso, los expertos coinciden en que la tecnología cuántica está lista para cambiar el mundo. Tomemos el campo de la medicina: los sensores cuánticos podrían arrojar nueva luz sobre las funciones cerebrales. La imagen cuántica podría revolucionar los procedimientos de diagnóstico. Las computadoras cuánticas podrían generar nuevos conocimientos sobre química molecular para acelerar el descubrimiento de fármacos y reducir sus costes de producción.
La mente se queda atónita ante el potencial de la mecánica cuántica aplicada. ¿Quién sabe adónde nos llevará esta tecnología? ¿Seremos capaces de proteger mejor el clima con los medios para medir y predecir el cambio climático con mucha más precisión? ¿Qué maravillosos productos podrían surgir una vez que podamos desarrollar y probar materiales más rápido y a menor coste? ¿Serán los atascos una molestia pasada una vez que las computadoras cuánticas envíen a cada viajero por el mejor camino? ¿Y la tecnología cuántica ayudará a crear una infraestructura digital segura y soberana para empresas y ciudadanos privados?
Las expectativas son altas; las inversiones se disparan. El gobierno federal alemán ha destinado 650 millones de euros a la investigación de tecnologías cuánticas hasta 2021. Y la iniciativa Quantum Flagship de la UE tiene un presupuesto de mil millones de euros para la investigación europea durante los próximos diez años. Fraunhofer e IBM traerán la primera computadora cuántica comercial del mundo a Europa para que sirva como una plataforma de investigación abierta.