La Europa cuántica

La concreción de una segunda revolución cuántica es una oportunidad tecnológica que puede tener un impacto excepcional en las telecomunicaciones y la supercomputación. El potencial de las tecnologías cuánticas sería determinante para el lanzamiento de empresas de nueva creación. En un futuro, los ordenadores cuánticos de capacidad suficiente serían capaces de realizar cálculos de complejidad inalcanzable para un ordenador convencional
A

hora mismo se está gestando la segunda revolución cuántica, en ebullición en los laboratorios científicos de todo el mundo desarrollado. Es una estrategia de largo recorrido, que terminará impactando en áreas importantes de las comunicaciones y la supercomputación, y por tanto de los sectores económicos que se derivan. Los primeros productos aparecerán en los ámbitos de la ciberseguridad, los sensores ultraprecisos, las técnicas de imagen y la metrología. Con respecto a la computación, muy pronto se demostrará la llamada supremacia cuántica: es decir, que una máquina basada en algunas docenas de elementos cuánticos efectuará una operación que ninguna máquina clásica actual pueda realizar. Llegados a este punto, todavía quedarán formidables desafíos por resolver hasta llegar a construir máquinas capaces de llevar a cabo computaciones de interés práctico, que necesitan miles de elementos. Se habla de una revolución, de un cambio de paradigma, porque se trata de utilizar las partes más íntimas de las leyes cuánticas, las que hacen posible los “gatos de Schrödinger”, en los que la materia se encuentra en la superposición simultánea de múltiples estados, o la realización de la teleportación de información —aunque no de materia—. Son las leyes que niegan la existencia de la realidad objetiva a escala atómica y las que, en principio, permiten llevar a cabo computaciones masivamente paralelas, que son imposibles para ordenadores tradicionales de cualquier tamaño imaginable. La Unión Europa quiere tener un papel destacado en esta segunda revolución cuántica.

 

Primera y segunda revolución cuántica.

La física cuántica se descubrió y desarrolló durante las primeras décadas del siglo XX. Algunos de sus conceptos y, sobre todo, sus implicaciones a la hora de interpretar la realidad son fuertemente contraintuitivos desde una perspectiva de la vida cotidiana. Sin embargo, pronto obtuvieron éxitos espectaculares en el momento de explicar la estructura de la materia. De hecho, la aplicación de las leyes de la física cuántica hizo posible lo que se conoce como primera revolución cuántica, que entre otras cosas permitió la comprensión y utilización de los materiales semiconductores y, por tanto, la aparición del transistor y de la electrónica como hoy la conocemos. Otro producto de la primera revolución cuántica es el láser y todas sus aplicaciones. El transistor y el láser, corazón de la electrónica y la fotónica, respectivamente, han hecho posible las tecnologías de la computación y las comunicaciones actuales, y por tanto la sociedad digital, conectividad por todas partes, internet global y robotización creciente. Es decir: elementos centrales de la civilización actual. A la vez, parte de los aparatos de imagen avanzada y de diagnóstico utilizados rutinariamente en los hospitales, como los aparatos de resonancia magnética y los de tomografía —por ejemplo, los TAC y los PET—, así como instrumental quirúrgico o algunas terapias para oncología, son producto de las técnicas procedentes de la primera revolución cuántica.

Ahora comienza la segunda, en la que se trata de utilizar las propiedades más genuinas de las leyes de la física cuántica, que son las que describen el mundo a escala atómica, para llevar a cabo funciones imposibles de alcanzar con tecnologías diseñadas a partir de las leyes tradicionales que describen el mundo a escala macroscópica. Las aplicaciones que actualmente se están desarrollando se centran en la creación de los sistemas de comunicaciones y criptografía cuánticas, ordenadores y simuladores cuánticos, y varios sensores y aparatos especializados de metrología. Es un potencial que tiene como fundamento las propiedades más delicadas de la materia a escala atómica, delicadeza que al mismo tiempo constituye el desafío más importante para desarrollar las tecnologías asociadas a escala industrial.

Algunos de los científicos que descubrieron la física cuántica expresaron dudas de que la humanidad pudiera controlar más la materia con el grado de precisión que requiere la segunda revolución cuántica. Sin embargo, durante las últimas décadas se han hecho avances inimaginables a mediados del siglo pasado. En concreto, hoy en los laboratorios de investigación se trabaja de manera cotidiana con unos pocos sistemas atómicos individuales y es posible que evolucionen de manera controlada siguiendo las leyes de la física cuántica. Esta capacidad, que ha generado una docena de premios Nobel en los últimos años, es la que permite abordar el reto de trasladar las tecnologías cuánticas a la industria y a la sociedad durante el siglo XXI.

 

‘Flagship’ europeo de tecnologías cuánticas.

En abril del año 2016, en respuesta al trabajo coordinado desarrollado durante más de una década por una gran parte de la comunidad científica del ámbito de todo el continente, y que cristalizó en la publicación del llamado Quantum Manifesto, la Comisión Europea anunció la creación de un Quantum Technologies Flagship (QTF) como parte de su programa Future and Emerging Technologies. El QTF pretende movilizar más de mil millones de euros, 500 de los cuales los aportará la Comisión Europea durante diez años a partir de los primeros meses del 2019, y el resto provendrán de los estados y regiones miembros y de las industrias. Todo ello tiene unas aspiraciones generales similares a las de los otros dos flagships ya existentes, dedicados a las aplicaciones de los materiales del tipo grafeno y a la comprensión del cerebro humano.

El QTF tiene como objetivo situar Europa en la primera línea de las tecnologías cuánticas, en colaboración cuando se pueda —y en competición cuando sea necesario— con iniciativas igualmente ambiciosas que se habían iniciado previamente en el Reino Unido, con inversiones comparables a las que ahora se ha comprometido la Comisión Europea, y con otras que se han iniciado en EEUU y en China. En concreto, China ha hecho varias apuestas estratégicas, concretamente para conseguir una red de comunicaciones entre satélites con protección cuántica que ya ha dado rendimientos de gran visibilidad. El programa de comunicaciones cuánticas entre satélites se había iniciado en la Agencia Europea del Espacio, que llevó a cabo varias demostraciones preliminares: por ejemplo, en las Islas Canarias. Ahora los avances chinos nos hacen ver que Europa y EEUU deben retomar el programa con vigor si no quieren quedarse atrás.

El QTF estará organizado en cuatro pilares verticales, dedicados a comunicaciones, computación, simuladores, y sensores y metrología, y un pilar horizontal de ciencia básica dirigido a explorar continuamente nuevas ideas y conceptos. Además, los pilares verticales, que tendrán objetivos específicos y bien cuantificables, estarán relacionados entre sí y también con los ejes de ingeniería, desarrollo de software, divulgación en la sociedad y en las empresas, y formación de personal. Con herramientas y conceptos diferentes de los actuales, la formación de personal es particularmente importante porque, cuando las tecnologías cuánticas diseñadas en el marco del QTF lleguen a las empresas, generarán nuevos puestos de trabajo para profesionales de ingeniería, gestión de datos y provisión de servicios.

 

Comunicaciones y computación cuántica.

A medio plazo, uno de los objetivos del QTF, con fases graduales a partir de 2020, es la creación de una internet cuántica, formada por redes de comunicaciones que dispondrán de una capa adicional de protección de la privacidad basada en elementos cuánticos. La seguridad y la privacidad en las comunicaciones y transacciones son de una importancia capital tanto para la ciudadanía como para clientes, empresas o gobiernos, sobre todo en el contexto de las sociedades masivamente digitales, interconectadas y hipercomunicadas actuales y futuras. A mediados de la próxima década las nuevas tecnologías podrían tener disponibilidad en una dimensión de redes metropolitanas y muchos de los elementos esenciales de la internet cuántica podrían empezar a ser una realidad al final del QTF.

Diferentes tipos de sensores cuánticos y aparatos de metrología ultraprecisos ya están disponibles en fase de prueba de concepto en los laboratorios de investigación. Los primeros detectan minúsculos señales eléctricos y magnéticos o proporcionan nuevos sistemas de extracción de información del entorno y obtención de imágenes. Los segundos permiten, por ejemplo, la construcción de sistemas de sincronización cada vez más precisos. Hacia el final de la próxima década se espera que el desarrollo comercial de esta área impacte en el análisis de materiales, los sistemas de navegación o los de sincronización de redes de comunicaciones y financieras, entre otros.

A más largo plazo se podría llegar a los ordenadores y simuladores cuánticos. Actualmente ya hay prototipos que se basan en unos pocos elementos cuánticos, aunque tan solo tienen uso en operaciones triviales y sin utilidad computacional práctica. La computación cuántica es un paradigma diferente de la computación digital convencional. Los ordenadores cuánticos aprovechan la capacidad de los sistemas cuánticos de evolucionar simultáneamente en varios estados. En lugar de utilizar bits que tienen el valor 0 o 1, se basan en qubits —bits cuánticos—, que consisten en la superposición de ambos estados y, procesando dichos estados, un ordenador cuántico puede calcular algunas operaciones de manera exponencialmente más rápida que uno clásico. Es decir: los ordenadores cuánticos de capacidad suficiente serían capaces de realizar cálculos de complejidad inasumible para un ordenador convencional. Es justo decir que los fenómenos físicos de partida son extremadamente delicados y, por tanto, construir estas máquinas en un tamaño grande es un reto formidable. Se espera que los simuladores cuánticos llegarán primero, tal vez al final de la próxima década. Se trata de máquinas cuánticas analógicas que imitan el comportamiento de un sistema cuántico concreto. En el marco del QTF, se intentará desarrollar, entre otros, simuladores del comportamiento de moléculas complejas de interés para diseñar nuevos fármacos y simuladores de la posible existencia de materiales superconductores a temperatura ambiente.

 

Oportunidad empresarial

Las grandes compañías del sector de la computación, como Microsoft, Intel o IBM, así como las que centran su actividad en la manipulación de ingentes cantidades de datos, como Google, han hecho inversiones estratégicas en computación cuántica y mantienen un posicionamiento activo. También ocurre con las empresas que comercializan componentes para telecomunicaciones. En Europa, paradójicamente, una de las más activas es la de matriz china Huawei. A la vez, empresas de otros sectores, tales como Siemens, Bosch, Thales o Airbus, mantienen un interés decididamente proactivo en el desarrollo de las tecnologías cuánticas. En este contexto, es importante destacar el potencial de las tecnologías cuánticas para el lanzamiento de empresas de nueva creación. Las aplicaciones en ciberseguridad son un ejemplo paradigmático. Asimismo, hay que tener en cuenta que las tecnologías cuánticas se basan en algunos elementos diferenciales rodeados de todo tipo de tecnologías y materiales sin relación con la cuántica. Así pues, en el QTF esperan también avances importantes en tecnologías clásicas que tendrán impacto directo en las industrias de otros ámbitos. Los nuevos materiales son un buen ejemplo de ello.

En un mundo globalizado como el actual, el potencial de aprovechamiento regional o nacional de los avances tecnológicos para la creación de riqueza y puestos de trabajo dependen, entre otros factores, del mismo nivel de competitividad internacional. El QTF presenta una oportunidad única de formar parte de un proyecto paneuropeo que generará importantes spill overs. Los principales países europeos han comprometido significativas inversiones nacionales para poder disponer de equipos líderes que crearán las piezas clave del conocimiento y, por tanto, la correspondiente propiedad intelectual e industrial. Globalmente, nuestro país parte de una posición menos sólida, pero a pesar de todo dispone de puntas de lanza que hay que aprovechar. Algunas empresas nacionales deberían participar activamente en el QTF a través de los proyectos que se llevarán a cabo. Incluso para las empresas que ahora mismo parecen alejadas de las tecnologías cuánticas sería recomendable mantener un interés

en los avances que se vayan produciendo, desde un horizonte de oportunidades de aplicación que son difíciles de predecir hoy y que sin duda surgirán. Al fin y al cabo, como afirman que decía Niels Bohr, uno de los principales creadores de la física cuántica, hacer predicciones es difícil, especialmente del futuro.

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La Europa cuántica

La concreción de una segunda revolución cuántica es una oportunidad tecnológica que puede tener un impacto excepcional en las telecomunicaciones y la supercomputación. El potencial de las tecnologías cuánticas sería determinante para el lanzamiento de empresas de nueva creación. En un futuro, los ordenadores cuánticos de capacidad suficiente serían capaces de realizar cálculos de complejidad inalcanzable para un ordenador convencional
A

hora mismo se está gestando la segunda revolución cuántica, en ebullición en los laboratorios científicos de todo el mundo desarrollado. Es una estrategia de largo recorrido, que terminará impactando en áreas importantes de las comunicaciones y la supercomputación, y por tanto de los sectores económicos que se derivan. Los primeros productos aparecerán en los ámbitos de la ciberseguridad, los sensores ultraprecisos, las técnicas de imagen y la metrología. Con respecto a la computación, muy pronto se demostrará la llamada supremacia cuántica: es decir, que una máquina basada en algunas docenas de elementos cuánticos efectuará una operación que ninguna máquina clásica actual pueda realizar. Llegados a este punto, todavía quedarán formidables desafíos por resolver hasta llegar a construir máquinas capaces de llevar a cabo computaciones de interés práctico, que necesitan miles de elementos. Se habla de una revolución, de un cambio de paradigma, porque se trata de utilizar las partes más íntimas de las leyes cuánticas, las que hacen posible los “gatos de Schrödinger”, en los que la materia se encuentra en la superposición simultánea de múltiples estados, o la realización de la teleportación de información —aunque no de materia—. Son las leyes que niegan la existencia de la realidad objetiva a escala atómica y las que, en principio, permiten llevar a cabo computaciones masivamente paralelas, que son imposibles para ordenadores tradicionales de cualquier tamaño imaginable. La Unión Europa quiere tener un papel destacado en esta segunda revolución cuántica.

 

Primera y segunda revolución cuántica.

La física cuántica se descubrió y desarrolló durante las primeras décadas del siglo XX. Algunos de sus conceptos y, sobre todo, sus implicaciones a la hora de interpretar la realidad son fuertemente contraintuitivos desde una perspectiva de la vida cotidiana. Sin embargo, pronto obtuvieron éxitos espectaculares en el momento de explicar la estructura de la materia. De hecho, la aplicación de las leyes de la física cuántica hizo posible lo que se conoce como primera revolución cuántica, que entre otras cosas permitió la comprensión y utilización de los materiales semiconductores y, por tanto, la aparición del transistor y de la electrónica como hoy la conocemos. Otro producto de la primera revolución cuántica es el láser y todas sus aplicaciones. El transistor y el láser, corazón de la electrónica y la fotónica, respectivamente, han hecho posible las tecnologías de la computación y las comunicaciones actuales, y por tanto la sociedad digital, conectividad por todas partes, internet global y robotización creciente. Es decir: elementos centrales de la civilización actual. A la vez, parte de los aparatos de imagen avanzada y de diagnóstico utilizados rutinariamente en los hospitales, como los aparatos de resonancia magnética y los de tomografía —por ejemplo, los TAC y los PET—, así como instrumental quirúrgico o algunas terapias para oncología, son producto de las técnicas procedentes de la primera revolución cuántica.

Ahora comienza la segunda, en la que se trata de utilizar las propiedades más genuinas de las leyes de la física cuántica, que son las que describen el mundo a escala atómica, para llevar a cabo funciones imposibles de alcanzar con tecnologías diseñadas a partir de las leyes tradicionales que describen el mundo a escala macroscópica. Las aplicaciones que actualmente se están desarrollando se centran en la creación de los sistemas de comunicaciones y criptografía cuánticas, ordenadores y simuladores cuánticos, y varios sensores y aparatos especializados de metrología. Es un potencial que tiene como fundamento las propiedades más delicadas de la materia a escala atómica, delicadeza que al mismo tiempo constituye el desafío más importante para desarrollar las tecnologías asociadas a escala industrial.

Algunos de los científicos que descubrieron la física cuántica expresaron dudas de que la humanidad pudiera controlar más la materia con el grado de precisión que requiere la segunda revolución cuántica. Sin embargo, durante las últimas décadas se han hecho avances inimaginables a mediados del siglo pasado. En concreto, hoy en los laboratorios de investigación se trabaja de manera cotidiana con unos pocos sistemas atómicos individuales y es posible que evolucionen de manera controlada siguiendo las leyes de la física cuántica. Esta capacidad, que ha generado una docena de premios Nobel en los últimos años, es la que permite abordar el reto de trasladar las tecnologías cuánticas a la industria y a la sociedad durante el siglo XXI.

 

‘Flagship’ europeo de tecnologías cuánticas.

En abril del año 2016, en respuesta al trabajo coordinado desarrollado durante más de una década por una gran parte de la comunidad científica del ámbito de todo el continente, y que cristalizó en la publicación del llamado Quantum Manifesto, la Comisión Europea anunció la creación de un Quantum Technologies Flagship (QTF) como parte de su programa Future and Emerging Technologies. El QTF pretende movilizar más de mil millones de euros, 500 de los cuales los aportará la Comisión Europea durante diez años a partir de los primeros meses del 2019, y el resto provendrán de los estados y regiones miembros y de las industrias. Todo ello tiene unas aspiraciones generales similares a las de los otros dos flagships ya existentes, dedicados a las aplicaciones de los materiales del tipo grafeno y a la comprensión del cerebro humano.

El QTF tiene como objetivo situar Europa en la primera línea de las tecnologías cuánticas, en colaboración cuando se pueda —y en competición cuando sea necesario— con iniciativas igualmente ambiciosas que se habían iniciado previamente en el Reino Unido, con inversiones comparables a las que ahora se ha comprometido la Comisión Europea, y con otras que se han iniciado en EEUU y en China. En concreto, China ha hecho varias apuestas estratégicas, concretamente para conseguir una red de comunicaciones entre satélites con protección cuántica que ya ha dado rendimientos de gran visibilidad. El programa de comunicaciones cuánticas entre satélites se había iniciado en la Agencia Europea del Espacio, que llevó a cabo varias demostraciones preliminares: por ejemplo, en las Islas Canarias. Ahora los avances chinos nos hacen ver que Europa y EEUU deben retomar el programa con vigor si no quieren quedarse atrás.

El QTF estará organizado en cuatro pilares verticales, dedicados a comunicaciones, computación, simuladores, y sensores y metrología, y un pilar horizontal de ciencia básica dirigido a explorar continuamente nuevas ideas y conceptos. Además, los pilares verticales, que tendrán objetivos específicos y bien cuantificables, estarán relacionados entre sí y también con los ejes de ingeniería, desarrollo de software, divulgación en la sociedad y en las empresas, y formación de personal. Con herramientas y conceptos diferentes de los actuales, la formación de personal es particularmente importante porque, cuando las tecnologías cuánticas diseñadas en el marco del QTF lleguen a las empresas, generarán nuevos puestos de trabajo para profesionales de ingeniería, gestión de datos y provisión de servicios.

 

Comunicaciones y computación cuántica.

A medio plazo, uno de los objetivos del QTF, con fases graduales a partir de 2020, es la creación de una internet cuántica, formada por redes de comunicaciones que dispondrán de una capa adicional de protección de la privacidad basada en elementos cuánticos. La seguridad y la privacidad en las comunicaciones y transacciones son de una importancia capital tanto para la ciudadanía como para clientes, empresas o gobiernos, sobre todo en el contexto de las sociedades masivamente digitales, interconectadas y hipercomunicadas actuales y futuras. A mediados de la próxima década las nuevas tecnologías podrían tener disponibilidad en una dimensión de redes metropolitanas y muchos de los elementos esenciales de la internet cuántica podrían empezar a ser una realidad al final del QTF.

Diferentes tipos de sensores cuánticos y aparatos de metrología ultraprecisos ya están disponibles en fase de prueba de concepto en los laboratorios de investigación. Los primeros detectan minúsculos señales eléctricos y magnéticos o proporcionan nuevos sistemas de extracción de información del entorno y obtención de imágenes. Los segundos permiten, por ejemplo, la construcción de sistemas de sincronización cada vez más precisos. Hacia el final de la próxima década se espera que el desarrollo comercial de esta área impacte en el análisis de materiales, los sistemas de navegación o los de sincronización de redes de comunicaciones y financieras, entre otros.

A más largo plazo se podría llegar a los ordenadores y simuladores cuánticos. Actualmente ya hay prototipos que se basan en unos pocos elementos cuánticos, aunque tan solo tienen uso en operaciones triviales y sin utilidad computacional práctica. La computación cuántica es un paradigma diferente de la computación digital convencional. Los ordenadores cuánticos aprovechan la capacidad de los sistemas cuánticos de evolucionar simultáneamente en varios estados. En lugar de utilizar bits que tienen el valor 0 o 1, se basan en qubits —bits cuánticos—, que consisten en la superposición de ambos estados y, procesando dichos estados, un ordenador cuántico puede calcular algunas operaciones de manera exponencialmente más rápida que uno clásico. Es decir: los ordenadores cuánticos de capacidad suficiente serían capaces de realizar cálculos de complejidad inasumible para un ordenador convencional. Es justo decir que los fenómenos físicos de partida son extremadamente delicados y, por tanto, construir estas máquinas en un tamaño grande es un reto formidable. Se espera que los simuladores cuánticos llegarán primero, tal vez al final de la próxima década. Se trata de máquinas cuánticas analógicas que imitan el comportamiento de un sistema cuántico concreto. En el marco del QTF, se intentará desarrollar, entre otros, simuladores del comportamiento de moléculas complejas de interés para diseñar nuevos fármacos y simuladores de la posible existencia de materiales superconductores a temperatura ambiente.

 

Oportunidad empresarial

Las grandes compañías del sector de la computación, como Microsoft, Intel o IBM, así como las que centran su actividad en la manipulación de ingentes cantidades de datos, como Google, han hecho inversiones estratégicas en computación cuántica y mantienen un posicionamiento activo. También ocurre con las empresas que comercializan componentes para telecomunicaciones. En Europa, paradójicamente, una de las más activas es la de matriz china Huawei. A la vez, empresas de otros sectores, tales como Siemens, Bosch, Thales o Airbus, mantienen un interés decididamente proactivo en el desarrollo de las tecnologías cuánticas. En este contexto, es importante destacar el potencial de las tecnologías cuánticas para el lanzamiento de empresas de nueva creación. Las aplicaciones en ciberseguridad son un ejemplo paradigmático. Asimismo, hay que tener en cuenta que las tecnologías cuánticas se basan en algunos elementos diferenciales rodeados de todo tipo de tecnologías y materiales sin relación con la cuántica. Así pues, en el QTF esperan también avances importantes en tecnologías clásicas que tendrán impacto directo en las industrias de otros ámbitos. Los nuevos materiales son un buen ejemplo de ello.

En un mundo globalizado como el actual, el potencial de aprovechamiento regional o nacional de los avances tecnológicos para la creación de riqueza y puestos de trabajo dependen, entre otros factores, del mismo nivel de competitividad internacional. El QTF presenta una oportunidad única de formar parte de un proyecto paneuropeo que generará importantes spill overs. Los principales países europeos han comprometido significativas inversiones nacionales para poder disponer de equipos líderes que crearán las piezas clave del conocimiento y, por tanto, la correspondiente propiedad intelectual e industrial. Globalmente, nuestro país parte de una posición menos sólida, pero a pesar de todo dispone de puntas de lanza que hay que aprovechar. Algunas empresas nacionales deberían participar activamente en el QTF a través de los proyectos que se llevarán a cabo. Incluso para las empresas que ahora mismo parecen alejadas de las tecnologías cuánticas sería recomendable mantener un interés

en los avances que se vayan produciendo, desde un horizonte de oportunidades de aplicación que son difíciles de predecir hoy y que sin duda surgirán. Al fin y al cabo, como afirman que decía Niels Bohr, uno de los principales creadores de la física cuántica, hacer predicciones es difícil, especialmente del futuro.