La tecnología cuántica llega a la vida cotidiana

Cuando se habla al público en general sobre física cuántica, lo más común es relacionarla con una teoría altamente compleja e ininteligible, sólo apta para unos pocos, capaces de entender su lenguaje matemático y los misterios que encierra. Pero eso tiene que cambiar. Sobre todo porque se ha llegado a un punto tecnológico en que se necesita un empuje de ingeniería para saltar al siguiente nivel. Los ordenadores actuales están llegando al límite de la miniaturización y la frecuencia de pulsaciones de los relojes de cuarzo pronto no podrán ser más rápidos.

Por tanto, la computación cuántica se presenta como la gran promesa para seguir construyendo equipos más veloces. A diferencia de un ordenador tradicional que se ejecuta en bits binarios, los qubits cuánticos pueden ser 0 y 1 a la vez, lo que facilita un aumento importante en la velocidad de procesamiento, fundamental para acelerar la búsqueda en bases de datos o el aprendizaje automático. Sin embargo, mientras los bits binarios se basan en transistores de silicio de confianza, los expertos aún deliberan sobre el mejor material para los equipos cuánticos.

Tras décadas de estudio en laboratorios de todo el mundo, la ciencia cuántica está a punto de emerger como una tecnología que impactará en la vida cotidiana. Si los planes funcionan según lo previsto, en 2020 el Reino Unido podría alojar el equipo cuántico más potente del mundo, disponer de una red cuántica segura que atravesara el país y otras muchas industrias aprovechando su potencial.

Según recoge un artículo de la revista online NewScientist, esta misión se inició en 2013, cuando el ministro de Economía del país, George Osborne, anunció una inversión de 270 millones de libras para el desarrollo de tecnología cuántica. Desde entonces han focalizado el presupuesto en tres áreas -informática, comunicaciones e imagen-, con el objetivo de ofrecer dispositivos cuánticos útiles en menos de cinco años.

Los equipos de investigación implicados en el proyecto celebraban el mes pasado su primera reunión anual, Quantum UK, en la Universidad de Oxford, para establecer la hoja de ruta de los próximos cinco años y prever los posibles obstáculos que pueden encontrar en el camino. El primero, cambiar la percepción de que algo cuántico es demasiado extraño para ser útil.

Proyectos

El Centro de Computación Cuántica de Oxford, dirigido por Ian Walmsley, trabaja en un sistema basado en iones atrapados, átomos cargados individualmente que se mantienen en su sitio mediante campos electromagnéticos.

Se ha denominado Q20:20, pues en un plazo de dos años pretenden desarrollar un dispositivo de 20 qubits, superando los límites de la computación cuántica actual. Cuando finalice el programa cuántico en cinco años, el objetivo final es haber conectado hasta 20 de estos dispositivos en un procesador de 400 qubits. "Será lo suficientemente grande como para realizar una serie de operaciones que los superordenadores no pueden hacer actualmente", explica Walmsley.

Este diseño modular se aprovecha de avances recientes para controlar iones atrapados en el laboratorio, lo que demostró que es posible manipular con éxito estados cuánticos frágiles a pequeña escala. Ahora el grupo de Oxford y otros han diseñado una forma de conectar estas células de qubits juntas en procesadores mucho más grandes.

Dado que el sistema se ha diseñado como una red, las células qubits podrían esparcirse, creando una especie de ordenador cuántico en la nube con acceso múltiple, aunque de momento el Q20:20 inicial se limite probablemente a un solo laboratorio.

A pesar de ello, no habrá que esperar hasta 2020, pues ya hay otro tipo de red cuántica en desarrollo en el Reino Unido que podría estar disponible para el público en sólo dos años. En el Centro de Comunicaciones Cuánticas de la Universidad de York, dirigido por Tim Spiller, están creando protocolos estándar de distribución de clave cuántica (QKD), redes de fibra óptica alrededor de las ciudades de Bristol y Cambridge, con un plan para unir las dos cruzando el país a través de Londres en cinco años.

Los QKD implican la preparación de fotones en estados cuánticos particulares para generar y transmitir claves criptográficas seguras, aptas para encriptar datos para su transmisión por un canal no cuántico. A diferencia de la criptografía existente, basada en complejos problemas matemáticos pero que puede descifrarse mediante ordenadores suficientemente potentes, los QKD están garantizados por las leyes de la física: cualquier intento de interceptar la clave hará saltar la alarma.

Redes similares ya están en marcha en EEUU y China para su uso por el Gobierno y las grandes empresas, aunque la red británica pretende abrirse a startups e incluso no profesionales interesados. "Una vez que esté lista, la idea es dejar que la gente explore lo que se puede hacer con ella”, manifiesta Spiller. "En Bristol la atención se centrará en los consumidores a la última en nuevas tecnologías, mientras que en Cambridge la red será utilizada por pequeñas empresas de alta tecnología de la zona”, añade.

Las técnicas de criptografía actuales aún no están bajo amenaza, pero Spiller señala que QKD puede garantizar la seguridad con el tiempo. "Hay ciertos tipos de datos que preocupan a la gente por la amenaza de que puedan ser interceptados ahora y descifrados en el futuro", matiza.

Las claves cuánticas son de un sólo uso, por lo que hay que renovarlas constantemente. Un equipo de la Universidad de Bristol dirigido por John Rarity, trabaja en un dispositivo del tamaño de una tarjeta de crédito que permitiría recoger un lote en un punto de la red, como si fuera un cajero automático, y utilizarlo para conectarse a varios servicios. "Los consumidores acceden a ese almacén de claves y las comparten con una fuente de confianza, como su banco o compañía de telefonía móvil", explica Rarity. Así nunca tendrían que recordar contraseñas o PIN nuevos, QKD se encarga.

Industria en auge

Otro tipo de dispositivos cuánticos en desarrollo en el país británico, como cámaras para captar gases invisibles o detectores de gravedad ultra-sensibles para detectar tuberías subterráneas, tienen menos atractivo para el consumidor, pero podrían ser de gran utilidad en sectores como la construcción. Sólo la excavación de zanjas equivocadas para fijar tuberías cuesta al país millones de libras, de ahí el interés. El objetivo es hacer del Reino Unido un líder en tecnología cuántica.

Otros países también están invirtiendo en esta industria emergente. Es el caso de Holanda, donde el Gobierno prometió este verano 135 millones de euros para desarrollar tecnología cuántica en un plazo de diez años. Además, Intel anunció el mes pasado una alianza de 50 millones de dólares con Delft para explorar cómo los procesadores cuánticos podrían aumentar la próxima generación de ordenadores convencionales de gama alta.

Mientras tanto, en EEUU, desde Google a la Red de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPANET), están invirtiendo fondos en hardware cuántico. Precisamente la red dependiente del departamento de Defensa de EEUU es el origen de lo que hoy conocemos como internet, creada mientras buscaban un medio de comunicación seguro entre los distintos organismos del estado.

La transición de la tecnología cuántica del laboratorio al mercado es algo que puede parecer increíble, sobre todo si se tiene en cuenta que se han estado barajando sus posibles aplicaciones desde la década de los ochenta del siglo pasado. Sin embargo, poco a poco empieza a dar sus frutos reales.