Así se prepara Cataluña para convertirse en la primera potencia cuántica en Europa

GinebraSensores ultraprecisos, comunicaciones más seguras, ordenadores más rápidos y potentes. Son sólo algunos ejemplos de tecnologías cuánticas, un área de desarrollo tecnológico que está avanzando con fuerza en los últimos años y que está llamada a tener un impacto muy disruptivo en las próximas décadas. Incluso existen ya algunas aplicaciones en expansión comercial, como los sistemas criptográficos y los primeros ordenadores cuánticos.

El impacto que ha tenido y tendrá la cuántica en la sociedad es una de las razones por las que este año se celebra el Año Internacional de las Ciencias y Tecnologías Cuánticas. La Unesco conmemora así el centenario del nacimiento de esta rama de la física. "Lo que se celebra este año es el extraordinario impacto que ha tenido en los últimos 100 años, que son sólo los primeros de su vida", comenta Lluís Torner, fundador del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y catedrático de física de la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC).

Estas nuevas herramientas tienen el potencial de transformar aún más nuestras vidas y, gracias a los centros de investigación punteros y empresas emergentes, Cataluña dispone de todos los ingredientes para convertirse en un polo de referencia mundial en investigación y producción de tecnologías cuánticas.

La cuántica: de revolución en revolución

La física cuántica nació hace aproximadamente un siglo de la mano de nombres como Schrödinger, Heisenberg, Bohr y el propio Einstein, entre otros. Este marco conceptual, que apareció como una herramienta para comprender los mecanismos y la naturaleza de los átomos y que representó la primera revolución cuántica, se ha convertido, cien años después, en la base fundamental de casi toda nuestra tecnología.

La cuántica describe un mundo subatómico difuso e incierto, cuyas leyes ponen a prueba la lógica clásica, en la que todo está definido de forma precisa. Principios como los de superposición, donde un objeto puede estar en varios sitios a la vez, o el entrelazamiento, que conecta misteriosamente objetos lejanos, permiten hoy el desarrollo de las nuevas tecnologías cuánticas. Si bien la interpretación exacta de esta área de la física es un tema todavía hoy abierto, los científicos han logrado comprender los principios suficientemente para facilitar las grandes revoluciones tecnológicas de la era moderna.

El avance en la comprensión del mundo subatómico dio lugar a finales de la década de los años 40 a la aparición de los transistores, los elementos esenciales que componen los microchips y son la base de toda la tecnología digital actual. Otra de las tecnologías que se desarrollaron fueron los láseres, a partir de los cuales se desarrolló toda una nueva rama, la fotónica. "El mundo actual es un mundo esencialmente digital. Sin los semiconductores, los láseres y los chips, esto no habría sido posible", argumenta Torner.

Si bien los láseres y transistores funcionan gracias a los principios de la mecánica cuántica, no fue hasta hace pocos años que los principios más fundamentales de esta parte de la física –la superposición y el entrelazamiento– se han empezado a explotar en profundidad. La tecnología actual nos permite manipular átomos y partículas subatómicas de forma individual. Este avance se conoce como segunda revolución cuántica y, en opinión de Torner, "nos encontramos justo al principio": "Todavía está en fase de creación y nadie sabe adónde nos llevará, pero tiene un potencial importante".

Cataluña, un país líder

Gracias al rico y variado ecosistema formado por universidades, centros de investigación y empresas, Cataluña se quiere posicionar en el sector de las tecnologías cuánticas. "Catalunya dispone de todos los ingredientes para convertirse en uno de los principales hubs en tecnologías cuánticas de Europa", declara Marta Estarellas, directora de Qilimanjaro, una start-up tecnológica, y añade que es necesario "fomentar la inversión, la atracción de talento y la colaboración".

Con iniciativas como la llamada Valle de la Cuántica, Cataluña se proyecta con fuerza dentro del sector de las tecnologías cuánticas. "Estamos recibiendo los frutos de apuestas que empezaron a cumplirse hace 15 años en los chips fotónicos, por ejemplo", explica Torner, que añade: "A menudo hay avances que tardan cierto tiempo en llegar. Hay que estar preparado y tener paciencia y constancia".

Bruno Julià, profesor de la Facultad de Física de la Universidad de Barcelona y coordinador del máster en ciencias y tecnologías cuánticas, destaca la importancia de disponer de centros educativos de alto nivel.

Dentro de la apuesta catalana por las tecnologías cuánticas, la empresa Qilimanjaro está construyendo en Poblenou el primer centro de datos cuántico e híbrido de toda Europa, que estará a disposición de usuarios, investigadores, universidades, empresas y departamentos de innovación a finales de este año. "Uno de los principales objetivos es democratizar las tecnologías cuánticas", explica Estarellas, que destaca la importancia de disponer de infraestructuras propias en el actual contexto político y el proteccionismo de las tecnologías estratégicas.

Tipo de tecnologías cuánticas

¿Pero qué tipos de tecnologías cuánticas hay?

Sensores cuánticos

La naturaleza cuántica de la luz y la materia permite crear dispositivos de detección ultrasensibles y muy precisos. Este tipo de sensores se pueden encontrar ya en diversos sectores industriales, como por ejemplo en la fabricación de relojes atómicos para sincronizar la señal de GPS. "En el ICFO tenemos un programa de investigación importante de sensores cuánticos. En nuestro caso, son sensores para neuromedicina, que utilizan principios de la física cuántica para detectar el campo magnético del cerebro", explica Torner, del ICFO.

Comunicaciones y encriptación cuánticas

La protección de la información digital que está almacenada en bases de datos o que se transmite a través de internet debe protegerse de posibles ataques. Por lo general, esta información está protegida por protocolos de seguridad que utilizan claves criptográficas difíciles de romper. Sin embargo, la potencia de la computación cuántica podría derribar fácilmente estas barreras de seguridad. "Esto se traduce en que la información digital delicada podría estar expuesta a que alguien la pudiera interceptar, lo que pondría en riesgo a gobiernos, entidades financieras u hospitales, por ejemplo", comenta Vanesa Díaz, directora de LuxQuanta, una empresa especializada en comunicaciones cuánticas.

Al tiempo que la computación cuántica pone en riesgo las comunicaciones seguras, también proporciona las herramientas para protegerlas aún más. Empresas como LuxQuanta utilizan el principio de superposición cuántica para establecer comunicaciones más seguras. "Lo que hacemos es instalar un emisor y un receptor en ambos extremos de la red de comunicación que generan y reciben la clave criptográfica respectivamente –comenta Díaz–. No deja de ser una especie de contraseña cuántica". Con esta tecnología, si alguien intercepta la clave criptográfica cuando está en tránsito, ésta deja un rastro detectable.

La criptografía cuántica es actualmente una de las tecnologías cuánticas más maduras y con un mercado más amplio. Por ejemplo, tiene un impacto significativo para aquellas empresas y entidades que disponen de grandes cantidades de datos delicados, como podrían ser los hospitales.

Uno de los componentes esenciales de las comunicaciones son los números aleatorios, que permiten encriptar la información que viaja por los distintos canales digitales. "No podemos proteger información si no somos capaces de generar números aleatorios impredecibles", explica Carlos Abellán, al frente de Quside, una empresa especializada en el diseño y construcción de hardware que genera números aleatorios cuánticos. Abellán comenta que "la única forma de generar números totalmente aleatorios es gracias a la cuántica".

Por un lado, pueden generarse a una velocidad mucho mayor. Y, por otro, es esencial poder comprobar la calidad de los números aleatorios generados antes de utilizarlos. "El hardware de Quside verifica en tiempo real que los números aleatorios son seguros", afirma Abellán.

Computación cuántica

Una de las grandes apuestas de la computación del futuro pasa por la computación cuántica. Gracias a los principios de superposición y entrelazamiento, los ordenadores cuánticos permitirían realizar operaciones para las que los ordenadores clásicos tardarían un tiempo demasiado largo. Aunque los ordenadores cuánticos que ejecuten un gran abanico de aplicaciones están todavía a unos años vista, dispositivos a pequeña escala ya se utilizan para resolver algunos problemas concretos. "Los ordenadores cuánticos todavía no tienen gran practicidad para aplicaciones reales. Pero sí son prácticos para resolver algunos problemas académicos", explica Marta Estarellas, CEO de Qilimanjaro.

El principal reto al que se enfrentan los desarrolladores de ordenadores cuánticos es que éstos son muy sensibles a los errores. Cualquier perturbación hace que el sistema pierda sus propiedades cuánticas y deje de ser útil. "Para que los ordenadores cuánticos funcionen se necesitan protocolos de corrección, que requieren que los chips sean muy grandes. Esto dificulta aún más el escalado para demostrar que superan los ordenadores convencionales", explica Estarellas.

Por ello, Qilimanjaro apuesta por una tecnología diferente. "Seguimos una vía alternativa. Lo que hacemos son ordenadores cuánticos analógicos, que codifican la información cuántica con una modulación continua de los parámetros del chip", explica Estarellas, quien comenta que esto permite evitar gran parte de los errores y ser algo más robustos. "Esta tecnología traerá ventajas en un marco de tiempo más corto".

Aunque este tipo de tecnologías todavía tienen unas aplicaciones limitadas, ya son comerciales. hemos vendido dos en el BSC", comenta Estarellas, que añade que "estos son los primeros ordenadores cuánticos a los que se ha dado acceso aquí". Pronto Qilimanjaro entregará uno nuevo al BSC basado en tecnología analógica. Desde el ámbito docente y de investigación universitaria, Julià, profesor de física de la UB, destaca la importancia de disponer de ella ellos".

Simular el mundo cuántico

Una de las principales aplicaciones de la computación cuántica es la simulación de sistemas cuánticos. Debido a su naturaleza, estos sistemas no se pueden describir con precisión mediante tecnologías clásicas.

Otra área de aplicación actual tiene que ver con la resolución de problemas de optimización. "Por ejemplo, en un hospital podemos optimizar los horarios rotativos del personal sanitario o la gestión de las camas para maximizar los recursos", destaca Estarellas.

Por último, la simbiosis entre la inteligencia artificial y la computación cuántica puede dar también frutos muy interesantes. "Una de las grandes dificultades del crecimiento de la inteligencia artificial es que requiere muchos recursos computacionales –dice Estarellas–. En un futuro, la computación cuántica podría ayudar a reducir ese impacto".

"La computación cuántica será realmente potente cuando pueda hacer cosas que sean completamente distintas a las que puede hacer un ordenador clásico", declara Torner. "Dentro de cinco años podríamos tener ordenadores cuánticos específicos que sirvan para resolver problemas concretos que tengan interés económico", añade Estarellas.

¿Cómo es el ecosistema cuántico catalán?

- Cuántico - Valle Mediterráneo de la Ciencia y las Tecnologías Cuánticas

Cataluña ha puesto recientemente en marcha el proyecto Vall de la Quàntica. Con una inversión de 43 millones en cinco años, el objetivo es posicionarse a la vanguardia en investigación y desarrollo de tecnologías cuánticas. Este proyecto está liderado por el ICFO y condensa todo el ecosistema cuántico catalán formado por universidades, centros de investigación y empresas.

- Centro Nacional de Supercomputación- Barcelona Supercomputing Center (CNS-BSC)

El BSC es el centro nacional de supercomputación de España. Especializado en computación de altas prestaciones, gestiona el conocido MareNostrum, uno de los superordenadores más potentes de Europa. Con la reciente adquisición de un ordenador cuántico, llamado ONA, el BSC jugará un papel clave en el desarrollo de esta tecnología, llamada a ser revolucionaria.

- Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO)

El ICFO, situado en Castelldefels, es uno de los centros de investigación más punteros a nivel mundial en el estudio de las propiedades fundamentales de la luz y su interacción con la materia, tanto desde el punto de vista teórico como experimental y aplicado en áreas que van desde las tecnologías de la información hasta la energía y la salud. Varias tecnologías desarrolladas en el ICFO han dado lugar a spin-offs como LuxQuanta y Quside. "Las start-ups son el vehículo principal para transferir un portafolio de conocimiento a una entidad cuyo objetivo es desarrollarla, madurarla y llevarla al mercado", comenta el físico Torner, para quien "es un mecanismo muy eficaz para llevar a cabo transformaciones económicas".

- LuxQuanta

Nació como uno spin-off del ICFO en 2021 y está especializada en encriptación cuántica. Su tecnología facilita la distribución de claves cuánticas que permiten telecomunicaciones seguras.

- Quside

Quside es otra de las empresas nacidas en 2017 a raíz de una tecnología desarrollada en el ICFO. Esta empresa produce dispositivos que generan números aleatorios cuánticos de alta calidad y fiabilidad que poseen aplicaciones variadas en la computación de alto rendimiento y en las telecomunicaciones.

- Qilimanjaro

Fundada en 2019, Qilimanjaro es una empresa que fabrica ordenadores cuánticos digitales y analógicos. Ha construido e instalado los ordenadores cuánticos del BSC y es una de las pocas empresas en computación cuántica en Europa.

- Catalonia Quantum Academy (CQA)

La CQA es una plataforma colaborativa dentro del marco del Valle de la Cuántica que coordina los esfuerzos por reforzar la educación, la formación y el desarrollo profesional en ciencia y tecnología cuánticas. "La Catalunya Quantum Academy también nos ha servido para montar un laboratorio avanzado de cuántica para el máster, pero también lo hemos utilizado en algunas asignaturas de grado", explica Bruno Julià, profesor de física en la UB y coordinador del máster en cuántica.