La carrera para conquistar el mundo cuántico es una de las más feroces de la tecnología. Tanto China como Estados Unidos han invertido miles de millones en el desarrollo de nuevos sistemas de computación capaces de explotar las extrañas leyes de la física asociadas a los efectos cuánticos. ¿La promesa? Una nueva informática y de comunicación y, por supuesto, riquezas inimaginables (ver La carrera por la supremacía cuántica choca con la ausencia de aplicaciones prácticas reales).

Pero en medio de esta emoción, hay una parte del mundo se está quedando atrás. Aunque Europa tiene una rica historia de innovación en física cuántica, en los últimos años ha empezado a quedarse rezagada respecto a sus competidores mundiales.

Por eso, la Comisión Europea anunció en 2016 que estaba invirtiendo 1.000 millones de euros en una iniciativa de investigación, la Quantum Technology Flagship. Su objetivo consiste en desarrollar cuatro tecnologías: comunicación cuántica, simulación cuántica, computación cuántica y detección cuántica. Después de casi dos años, ¿cómo está yendo?

Foto: Controlar los sistemas cuánticos es un gran desafío.

La reciente publicación de la Hoja de Ruta Europea de las Tecnologías Cuánticas, una versión actualizada del documento que establece los objetivos del proyecto para los próximos 10 años, puede ayudar a responder a la pregunta. En particular, el texto describe dos áreas emergentes que han generado menos interés en otras partes del mundo: el software cuántico y control cuántico. Esto podría tener implicaciones importantes para el futuro de las tecnologías cuánticas europeas.

El documento comienza por establecer el enfoque de ambas áreas . La primera, la comunicación cuántica, permitiría enviar datos de una ubicación a otra con total privacidad, gracias las leyes de la física (ver La física cuántica ya permite enviar mensajes de forma 100% segura). Esto es cada vez más importante, dado que el avance de la propia computación cuántica amenaza con romper cualquier tipo de encriptación actual (ver Empezar a protegerse contra la computación cuántica o esperar a la catástrofe). La comunicación segura es uno de los pilares de la sociedad moderna, pues habilita el comercio electrónico y garantiza la privacidad de las comunicaciones empresariales, gubernamentales y militares.

El problema es que los sistemas de comunicación cuántica que existen actualmente son caros y complejos de administrar y ejecutar. El siguiente paso en su evolución es hacerlos mucho más manejables (ver Este diminuto 'router' cuántico podría ser la base del internet cuántico del futuro).

La comisión sostiene que este objetivo se logrará de formas inminente: "Es previsible que, en los próximos tres años, se desarrollen sistemas autónomos (de comunicación cuántica) para distancias metropolitanas que consigan bajos costes de implementación, altas tasas de seguridad (> 10 Mbps) y multiplexación".

Otro problema es que la comunicación cuántica solo funciona en conexiones situadas a una distancia máxima de unos 100 kilómetros. Así que los investigadores también están trabajando en enrutadores cuánticos que puedan enviar las señales mucho más lejos. Sobre esto, el informe estima: "En seis años, es probable que los veamos [los sistemas de comunicación cuántica] en redes de bancos de pruebas (que funcionen a largas distancias a través de nodos de confianza), en sistemas de plataformas de gran altitud o satélites, así como en redes intraurbanas conmutables o de nodos múltiples; y todo esto requerirá proyectos de infraestructura a gran escala ".

La siguiente área es la computación cuántica, que utiliza procesos cuánticos para generar un impresionante rendimiento de procesamiento de datos. Hasta ahora, esto ha sido posible a pequeña escala, con solo unos pocos bits cuánticos o cúbits. El desafío actual consiste en escalar los ordenadores cuánticos más allá de los 100 cúbits.

Esta hoja de ruta describe cinco posibles formas de hacerlo, mediante sistemas que almacenan y procesan la información cuántica de forma distinta (ver Los ordenadores cuánticos con cúbits atómicos podrían superar a los superconductores). Estos sistemas 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 pequeños circuitos superconductores o en fotones que viajan a través de circuitos fotónicos. Claramente, lo que la comisión espera es un procesamiento cuántico a gran escala que utilice una o más de estas tecnologías para dentro de entre cinco a 10 años. Lo que no está claro es si Europa será la primera en conseguir un sistema de este tipo o se conseguirá en otra parte del mundo. 

La simulación cuántica es la tercera área de inversión (ver ¿Podría arrojar luz sobre el origen de la vida la simulación cuántica?). Simular propiedades cuánticas complejas en un ordenador tradicional es casi imposible. Pero sí es posible sistemas cuánticos para simular aspectos de otros sistemas cuánticos de manera más o menos perfecta. Para conseguirlo, los físicos están jugando con varios enfoques. La idea básica es encontrar un sistema cuántico que se entienda bien, y que sea fácil de manipular y medir, para luego usarlo para simular un sistema con el que es difícil tratar.

Los sistemas que se conocen bien incluyen átomos y moléculas ultrafríos, iones atrapados en campos magnéticos y circuitos superconductores. Los sistemas más complejos, y que los físicos aún intentan dominar, están presentes 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. Se espera que la simulación cuántica pueda proporcionar información sobre todas estas áreas.

Pero hay desafíos notables. Como la búsqueda de sistemas interesantes que puedan simularse con algunas de las técnicas existentes y el diseño de un experimento adecuado para comprobarlo. Además, los físicos deben encontrar formas de asegurarse de que el sistema ha realizado correctamente la simulación. Todavía no está claro cuántas de estas ideas podrán realizarse en los próximos 10 años.

La cuarta área de interés es la detección cuántica y la metrología. Si queremos explotar el mundo cuántico, debemos ser capaces de analizarlo y sentirlo. Eso implica medir el universo en una escala de átomos y fotones, y en escalas de tiempo apropiadamente cortas. Los físicos tienen una amplia variedad de herramientas para hacerlo, pero todas necesitan mejorar: los relojes cuánticos deben hacerse más precisos, los sensores atómicos más sensibles, y los sensores optomecánicos más capaces.

La hoja de ruta termina con una discusión sobre dos nuevas áreas de interés. La primera es el control cuántico: la capacidad de manipular sistemas cuánticos mediante campos o fuerzas electromagnéticas externas. El informe detalla: "El objetivo del control cuántico es diseñar e implementar formas de pulsos de campos externos o secuencias pulsos, que alcancen una tarea determinada en un sistema cuántico de la mejor manera posible".

En otras palabras, se trata de impulsar los sistemas cuánticos con ondas de radio y rayos láser para que adopten un comportamiento concreto. El objetivo es que este tipo de control de los sistemas cuánticos permita una computación y una 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 ordinario porque los cúbits pueden existir como ceros y como unos al mismo tiempo. Eso significa que varios cúbits pueden realizar muchos cálculos en paralelo, y por eso las computadoras cuánticas son tan poderosas. Sin embargo, extraer la respuesta de estos cálculos es difícil. Y eso hace que los algoritmos cuánticos sean enormemente frágiles.

La esperanza final es que los algoritmos cuánticos superen drásticamente a los cálculos clásicos. Pero, en realidad, encontrar algoritmos capaces de hacerlo es complicado. Este software deberá funcionar tanto en la escala de ambas computadoras como en redes enteras. Avanzar esta rama puede hacer que Europa supere a los competidores que le sacan ventaja en el desarrollo de hardware.

Uno de los problemas más emocionantes consiste en desarrollar una teoría de la información cuántica. La teoría clásica de la información fue desarrollada en las décadas de 1940 y 1950 por el matemático e ingeniero Claude Shannon, y 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. Del resultado dependerán muchas cosas.

Si esta hoja de ruta es un resumen del enfoque que plantea Europa para el desarrollo de las tecnologías cuánticas, es poco probable que haya impresionado a sus rivales mundiales. El plan carece de ambición si se compara con el trabajo en otros lugares del mundo. Por ejemplo, China ya tiene un satélite en órbita capaz de comunicarse cuánticamente con la tierra, y es la envidia de la comunidad cuántica mundial (ver Un fotón se teletransporta desde la Tierra al espacio por primera vez).

Lo único emocionante de la hoja de ruta europea se centra en el control cuántico y software cuántico. Se trata de tecnologías con amplias aplicaciones en el mundo cuántico y que podrían constituir un importante trampolín para Europa.

Un gran desconocido es el papel de la industria en el futuro de las tecnologías cuánticas. Europa está desesperada por asociarse con compañías como Google, IBM y Microsoft, que están desarrollando tecnologías cuánticas propias. Pero gran parte de este trabajo se ha realizado en los Estados Unidos. Al menos, hasta ahora. Cambiar ese enfoque debe ser una prioridad para que Europa obtenga las recompensas adecuadas de su inversión de 1.000 millones de euros.

Ref: arxiv.org/abs/1712.03773: The European Quantum Technologies Roadmap.