La era cuántica: una revolución en marcha

Sensores ultraprecisos, computadoras y comunicaciones imposibles están dejando de ser ciencia ficción para transformar nuestra vida cotidiana

Fotones y manzanas

Las partículas más diminutas del universo se comportan de manera desconcertante respecto a nuestra experiencia cotidiana, pero la física cuántica logra describir con precisión este asombroso comportamiento. La realidades que lo hacen de un modo tan sorprendente que desafía nuestra lógica cotidiana.

Pongamos como ejemplo un fotón. Esta partícula subatómica puede estar en distintos estados simultáneamente. Una manzana, no: o está quieta, o en movimiento, como podríamos observar si viéramos una caer del árbol (como le ocurrió a Isaac Newton). Es más: un fotón puede entrelazarse con otro y mostrar una correlación instantánea en su estado, aunque uno se encuentre en la Tierra y el otro, en Marte. Intentemos esto con dos manzanas: el fracaso estará asegurado.

Además, resulta que este proceso es difícil de observar: al intentar medirlo, inevitablemente perturbamos el sistema, y el pequeño fotón acaba comportándose como una manzana. Se queda quieto en un estado determinado o deja de coordinarse con su compañero a distancia. Es como si disimulara para que nunca descubramos sus habilidades secretas. A algo parecido se dedican electrones, protones o neutrinos y ese comportamiento influye, a su vez, en el de átomos y moléculas. Por eso es tan difícil controlar o predecir, por ejemplo, ciertas reacciones químicas.

¿Por qué se comportan las partículas más pequeñas de forma tan extraña? La física cuántica aborda esta incógnita con principios que capturan su naturaleza a escalas donde las leyes habituales dejan de ser suficientes.

Un paso más allá surge la tecnología cuántica, que aprovecha las leyes de esta rama de la física para crear aplicaciones y sistemas con capacidades que superan a la tecnología convencional desarrollando sensores, sistemas de comunicación y ordenadores capaces de resolver problemas imposibles.

Como explica Ana María Sánchez Montero, responsable de uno de los equipos de computación cuántica de GMV, “La tecnología cuántica puede tener aplicaciones muy diversas. Aunque habitualmente se habla de computación cuántica, también puede aplicarse a áreas como la comunicación y la criptografía, la sensórica o la simulación, ramas con gran potencial en ámbitos muy distintos, como la seguridad o la exploración espacial”.

Para hacernos una idea de ese potencial, resulta útil comparar el funcionamiento de un ordenador cuántico con el de uno clásico. Los ordenadores tradicionales trabajan con unidades mínimas de información que se llaman bits y que pueden representar un valor de 0 o un valor de 1. Los ordenadores cuánticos, en cambio, trabajan con cúbits. Su nombre ya nos da una pista de cómo funcionan: son bits cuánticos capaces de encontrarse en múltiples estados de manera simultánea.

Esto significa que los cúbits no tienen que elegir entre representar un 0 o un 1, sino que pueden representar una combinación de ambos de manera simultánea. Esto es de gran utilidad para solucionar problemas de combinatoria, como sentar a los invitados a una boda en distintas mesas, respetando las afinidades de cada uno y, sobre todo, para abordar desafíos mucho más complejos, como desarrollar fármacos y materiales innovadores o calcular los riesgos de una operación financiera.

Casos de uso reales

Como explica la experta en tecnología cuántica de GMV, “la computación cuántica, por ejemplo, ya se está utilizando en problemas de optimización complejos —como en la planificación de rutas o la gestión de recursos— así como en simulaciones de materiales o moléculas”.

A diferencia de la computación clásica, la cuántica permite ejecutar varias pruebas en paralelo gracias a la superposición de estados de sus cúbits y al uso de algoritmos especiales que permiten sacar partido de estas propiedades cuánticas. Y cuando logremos enlazar de manera efectiva unos cúbits con otros, como hacen los fotones, su capacidad de cálculo será todavía mayor.

Un ejemplo práctico del uso de computación cuántica es el desarrollo de vacunas. “En lugar de dedicar años a la investigación, haciendo una prueba detrás de otra para ver qué efectos secundarios puede tener la vacuna, se podrá recurrir a una simulación cuántica que agilizará considerablemente el proceso”, explica Ana María Sánchez.

Gran exponente de los logros en computación cuántica a nivel nacional es el proyecto CUCO, cuyo fin es avanzar el estado del arte de algoritmos cuánticos y aplicar este conocimiento a distintos sectores estratégicos de la economía española, como el energético, financiero, espacial, de logística y de defensa. “Hemos trabajado en casos reales en todos estos sectores con buenos resultados: se han desarrollado modelos para identificar plantas fotovoltaicas en imágenes satelitales, predecir el viento, valorar derivados financieros o diseñar catalizadores. Todo ello, utilizando técnicas cuánticas e híbridas”, aclara Ana María Sánchez.

La eterna promesa cuántica empieza a ser ya una realidad tangible. Eso sí, aún queda mucho que hacer para que veamos todo su potencial. Los ordenadores cuánticos todavía utilizan pocos cúbits y son muy sensibles al ruido. Cualquier mínima perturbación hace que abandonen su estado cuántico, como le pasaba al pequeño fotón del principio cuando era observado.

“Una analogía muy acertada es decir que estamos en la ‘era de las tarjetas perforadas’ de la computación cuántica. Es decir, ya existen prototipos funcionales, empezamos a ver su potencial, pero queda camino hasta que formen parte de nuestro día a día”, explica la experta. “Como pasó con los primeros ordenadores clásicos —que ocupaban habitaciones enteras—, esperamos una evolución enorme. Mientras tanto, lo importante es experimentar, desarrollar software y estar preparados para ese salto”, añade.

Eso sí, es poco probable que la irrupción de la computación cuántica en nuestra vida cotidiana sea evidente de inmediato. Será extraño que veamos un “momento cuántico” similar al impacto que tuvo, por ejemplo, la llegada del smartphone. “La cuántica se integrará poco a poco, de forma invisible, dentro de procesos y sistemas existentes. No tendremos ordenadores cuánticos en casa, pero sí nos beneficiaremos de ellos, por ejemplo, con rutas de transporte más eficientes, mejoras en predicción meteorológica o en el desarrollo de nuevos medicamentos”.

Cooperación vs sustitución

Una de las vías de desarrollo de las tecnologías cuánticas más prometedoras se encuentra en su cooperación con otras ya existentes. Por ejemplo, con la computación clásica o la inteligencia artificial (IA). Es lo que se conoce como computación híbrida, que saca partido de las ventajas de ambos paradigmas.

“La computación cuántica puede potenciar tecnologías como la IA o la ciencia de datos. Por ejemplo, puede acelerar el entrenamiento de modelos o permitir trabajar con volúmenes de datos muy grandes que los sistemas clásicos no procesan con facilidad. Como puede manejar un mayor conjunto de datos, puede ser capaz de detectar patrones que la inteligencia artificial clásica no ve”, aclara Ana María Sánchez.

Y esto, ¿qué utilidad tiene? “Tiene aplicaciones en tareas como clasificación de imágenes, predicción de comportamientos o detección de anomalías en redes complejas. No se trata de sustituir con tecnología cuántica a la IA o a la computación clásica, sino de combinarlas para resolver problemas que, hoy por hoy, no somos capaces de resolver”, puntualiza la experta. Además, la posibilidad de acelerar el entrenamiento de modelos de IA no solo ayudará a esta tecnología a llegar donde todavía no llega, sino también a hacerla más eficiente.

Otro ejemplo de cooperación tecnológica es la alianza entre los ordenadores cuánticos y los clásicos, capaces de complementarse para potenciar sus respectivos puntos fuertes.  Hay un ejemplo muy reciente: el del Barcelona Supercomputing Center, que presentó este mismo año un ordenador cuántico integrado en el supercomputador MareNostrum 5.

“Este es un ejemplo muy potente de cómo las tecnologías cuánticas ya forman parte del presente”, asegura Ana María Sánchez. “Esta integración permite unir lo mejor de dos mundos: el supercomputador clásico sigue siendo ideal para tareas muy intensivas, mientras que el cuántico aborda los problemas que crecen de forma exponencial”.

“Desde GMV hemos contribuido a la implementación de este proyecto al encargarnos de la infraestructura de sistemas clásicos y redes asegurando la integración con MareNostrum 5. También proporcionamos el acceso remoto mediante servicios como Quantum-as-a-Service (QaaS), y gestionamos el soporte a usuarios. Además, hemos trabajado para que todo el sistema funcione en un entorno íntegramente europeo", detalla la experta.

Una de las ciencias más contraintuitivas de la historia de la humanidad es la física cuántica

A estos recursos computacionales acceden investigadores de múltiples disciplinas científicas —desde la astrofísica a la ciencia de materiales o la biomedicina—, ingeniería o industria. Lo hacen a través de la Red Española de Supercomputación y, gracias a esos recursos, podremos ver avances en investigaciones de todo tipo: sobre el cambio climático, ondas gravitacionales, vacunas, nuevas terapias contra el cáncer o simulaciones que nos pueden abrir las puertas a fuentes de energía ilimitadas, limpias y seguras. Todo un mundo que está esperando a que abramos sus puertas aprovechando las maravillas de lo minúsculo.

Tecnologías cuánticas aplicadas al espacio

Las aplicaciones de las tecnologías cuánticas no solo aportan beneficios en la Tierra, sino que también están transformando el espacio. Algunas llevan décadas entre nosotros, aunque de manera discreta: un buen ejemplo son los relojes atómicos instalados en los satélites de navegación (GNSS, como Galileo), que se basan en principios de la física cuántica y permiten determinar posiciones en nuestro planeta con gran precisión.

Otros avances ya son una realidad. Los láseres, clásicos exponentes de la tecnología cuántica, comienzan a desempeñar un papel clave en las comunicaciones espaciales gracias a los enlaces ópticos entre satélites —los llamados intersatellite links— y a las estaciones de seguimiento en tierra. Estas soluciones aceleran la transmisión de información y garantizan comunicaciones más seguras y eficientes. GMV participa en esta revolución tecnológica mediante su contribución a proyectos europeos de referencia como HydRON, para demostrar una red de comunicación óptica entre satélites y tierra; o EDRS, para establecer una red de comunicación láser de alta velocidad y con capacidad de retransmisión entre satélites y estaciones terrestres. La nueva generación de tecnologías cuánticas espaciales va aún más allá y se fundamenta en fenómenos propios de la física cuántica como son el entrelazamiento, la superposición o el efecto túnel. En este campo destacan los proyectos Eagle-1 (desde una órbita baja situada a unos 700 Km de la Tierra) y Caramuel (desde una órbita geoestacionaria situada a 36.000 Km de la Tierra), en los que también participa GMV y que están centrados en la distribución cuántica de claves (QKD, Quantum Key Distribution). Su objetivo es establecer un protocolo de comunicación teóricamente invulnerable y capaz de detectar cualquier intento de espionaje.

También en el ámbito de la navegación y la sincronización se abren nuevos caminos. El proyecto QUANTICO combina técnicas de medición cuántica con distribución cuántica de claves para diseñar sistemas más resistentes a interferencias. GMV ha desarrollado ya un prototipo capaz de alcanzar precisiones de hasta 6 centímetros sin depender de los sistemas GNSS tradicionales.

Finalmente cabe mencionar el proyecto CARIOQA, que explorará la medición ultraprecisa desde el espacio mediante sensores cuánticos. El objetivo: desplegar en órbita un acelerómetro cuántico capaz de detectar y analizar minúsculas variaciones en el campo gravitatorio terrestre.

En definitiva, las tecnologías cuánticas han dejado de ser una promesa lejana para convertirse en una realidad en construcción que transforma nuestra forma de comunicarnos y de vivir lo cotidiano. Sus efectos se harán notar en todos los ámbitos: desde tareas rutinarias hasta hitos extraordinarios como la exploración del espacio. Una revolución silenciosa que marcará un nuevo punto de partida en nuestra relación con la tecnología y con el propio universo.