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Europa revela su visión de un futuro cuántico
La carrera para conquistar el mundo cuántico se encuentra entre las más ferozmente competitivas en tecnología. China y EE. UU. han invertido miles de millones en el desarrollo de nuevas formas de explotar las extrañas leyes de la física a las que dan acceso los efectos cuánticos. La promesa es una nueva era de la informática y la comunicación y, por supuesto, riquezas insospechadas.
Con toda la emoción, una parte del mundo se está quedando atrás. Europa tiene una rica historia de innovación en física cuántica, pero ha comenzado a quedarse atrás de sus competidores globales en los últimos años.
Es por eso que la Comisión Europea anunció en 2016 que estaba invirtiendo mil millones de euros en un esfuerzo de investigación conocido como Quantum Technology Flagship. El objetivo de este proyecto es desarrollar cuatro tecnologías: comunicación cuántica, simulación cuántica, computación cuántica y detección cuántica. Después de casi dos años, ¿cómo va?
El control de los sistemas cuánticos es un desafío importante.
Hoy podemos echar un vistazo gracias a la publicación del European Quantum Technologies Roadmap, una versión actualizada del documento que establece los objetivos del proyecto para los próximos 10 años. En particular, describe dos áreas emergentes que han recibido menos interés en otras partes del mundo: el software cuántico y el control cuántico. Estos podrían tener implicaciones significativas para el futuro de las tecnologías cuánticas europeas.
El documento comienza delineando las áreas de enfoque. La primera, la comunicación cuántica, ofrece la posibilidad de enviar datos de un lugar a otro con total privacidad, garantizado por las leyes de la física. Eso se está volviendo cada vez más importante porque otra tecnología, la computación cuántica, pronto podrá descifrar el cifrado que se usa comúnmente en la actualidad. La comunicación segura es una de las bases de la sociedad moderna, ya que permite el comercio electrónico y garantiza la privacidad de las comunicaciones comerciales, gubernamentales y militares.
El problema es que los sistemas de comunicación cuántica existentes son caros y complejos de gestionar y ejecutar. El siguiente paso en la evolución de estos sistemas es hacerlos mucho más manejables.
La comisión dice que esto es inminente: dentro de los próximos tres años es previsible el desarrollo de sistemas autónomos [de comunicación cuántica] en distancias metropolitanas que abordarán los bajos costos de implementación, las altas tasas de clave segura (> 10 Mbps) y la multiplexación.
Otro problema es que la comunicación cuántica solo funciona sobre conexiones punto a punto de unos 100 kilómetros. Entonces, los investigadores también están trabajando en enrutadores cuánticos que pueden enviar las señales mucho más lejos. En 6 años, probablemente veremos [sistemas de comunicación cuántica] en redes de banco de pruebas, demostrando largas distancias a través de nodos confiables, sistemas de plataforma de gran altitud o satélites, así como redes intraurbanas conmutables o de múltiples nodos, todo lo cual requieren que se inicien proyectos de infraestructura a gran escala, dice el informe.
La siguiente área es la computación cuántica, que utiliza procesos cuánticos para generar un rendimiento de procesamiento de datos impresionante. Esto ha sido posible en la escala de unos pocos bits cuánticos, o qubits, durante algunos años. El desafío actual es escalar las computadoras cuánticas a 100 qubits o más.
Esta hoja de ruta describe cinco formas posibles de hacerlo, utilizando sistemas que almacenan y procesan información cuántica de diferentes maneras. Estos incluyen almacenar la información en iones atrapados en un campo magnético o en núcleos atómicos incrustados en silicio o carbono, en el flujo de corriente a través de diminutos circuitos superconductores o en fotones que viajan a través de circuitos fotónicos.
La comisión claramente espera que el procesamiento cuántico a gran escala utilice una o más de estas tecnologías dentro de cinco a 10 años. Si esto se hará primero en Europa es mucho menos claro.
La simulación cuántica es la tercera área de inversión. Simular propiedades cuánticas complejas en una computadora ordinaria es casi imposible. Pero se pueden hacer sistemas cuánticos para simular aspectos de otros sistemas cuánticos de forma más o menos perfecta.
Los físicos están jugando con varias formas de hacer esto. La idea básica es encontrar un sistema cuántico que sea bien entendido y fácil de manipular y medir, y luego usarlo para simular un sistema que sea difícil de manipular y medir.
Los sistemas bien conocidos incluyen átomos y moléculas ultrafríos, iones atrapados en campos magnéticos y circuitos superconductores. Los sistemas más complejos que los físicos quieren comprender ocurren en la física de alta energía, en la cosmología, en la física estadística e incluso en la biología, donde los procesos cuánticos parecen desempeñar un papel en la transferencia de energía. La promesa es que la simulación cuántica puede proporcionar información sobre todas estas áreas.
Pero hay desafíos importantes. Estos incluyen encontrar sistemas interesantes que puedan simularse con técnicas existentes y diseñar un experimento apropiado para hacerlo. Además de esto, los físicos deben encontrar formas de asegurarse de que el sistema haya realizado correctamente la simulación.
Todavía no está claro cuánto de esto será posible en los próximos 10 años.
La cuarta área de interés es la detección cuántica y la metrología. La idea aquí es que si queremos explotar el mundo cuántico, tenemos que ser capaces de medirlo y sentirlo. Eso significa medir el universo a escala de átomos y fotones en escalas de tiempo apropiadamente cortas.
Los físicos tienen una amplia variedad de herramientas para hacer esto, pero todas necesitan mejorar. Por lo tanto, los relojes cuánticos deben ser más precisos, los sensores atómicos deben ser más sensibles y los sensores optomecánicos deben ser más capaces.
La hoja de ruta termina con una discusión de dos nuevas áreas de interés. El primero es el control cuántico: la capacidad de manipular sistemas cuánticos utilizando campos o fuerzas electromagnéticas externas. El objetivo del control cuántico óptimo es diseñar e implementar formas de pulsos de campos externos o secuencias de tales pulsos, que alcancen una tarea dada en un sistema cuántico de la mejor manera posible, dice.
En otras palabras, se trata de empujar sistemas cuánticos con ondas de radio y rayos láser para que se comporten de formas específicas. La expectativa es que este tipo de control preciso de los sistemas cuánticos permita la computación y simulación cuánticas a gran escala, entre otras cosas.
La segunda de estas nuevas áreas es el desarrollo de software cuántico, que es mucho más difícil de desarrollar que el software común porque los qubits pueden existir tanto como 0 arena 1 s al mismo tiempo. Eso significa que varios qubits pueden realizar muchos cálculos en paralelo, razón por la cual las computadoras cuánticas son tan poderosas.
Pero extraer la respuesta de estos cálculos es difícil. Y eso hace que los algoritmos cuánticos sean enormemente frágiles.
El potencial es que los algoritmos cuánticos pueden superar drásticamente los cálculos clásicos. Pero en realidad encontrar algoritmos que puedan hacer esto es complicado. Este software deberá funcionar a escala de computadoras y redes completas. Avanzar en esta área puede proporcionar una forma para que Europa supere a los competidores que tienen una ventaja en el desarrollo de hardware.
Uno de los problemas más emocionantes es desarrollar una teoría de la información cuántica. La teoría clásica de la información desarrollada en las décadas de 1940 y 1950 por el matemático e ingeniero Claude Shannon se ha convertido en la base de la informática y la comunicación modernas. Una teoría igualmente poderosa para la información cuántica elude a los teóricos, pero desarrollarla es un objetivo importante en Europa. Mucho dependerá del resultado.
Si esta hoja de ruta es un resumen preciso del enfoque de Europa para el desarrollo de tecnologías cuánticas, sus rivales mundiales difícilmente temblarán en sus botas. En su mayor parte, el plan carece de ambición en relación con el trabajo en otros lugares. China, por ejemplo, ya tiene un satélite en órbita capaz de comunicarse cuánticamente con la tierra, y esto es la envidia de la comunidad cuántica de todo el mundo.
Las excepciones se encuentran en las áreas de control cuántico y software cuántico. Estas son tecnologías habilitadoras con amplias aplicaciones en el mundo cuántico y podrían proporcionar un trampolín importante para Europa.
Una gran incógnita es el papel de la industria en el futuro de las tecnologías cuánticas. Europa está desesperada por asociarse con empresas como Google, IBM y Microsoft, que están desarrollando sus propias tecnologías cuánticas. Pero gran parte de este trabajo se ha realizado en los EE. UU. hasta ahora. Cambiar ese enfoque debe ser una prioridad si Europa quiere obtener las recompensas adecuadas de su inversión de miles de millones de euros.
Ref: arxiv.org/abs/1712.03773 : La hoja de ruta de las tecnologías cuánticas europeas