Cómo contribuyen la instrumentación y el cifrado de redes a hacer realidad nuevas aplicaciones de tecnología cuántica

Tanto el sector público como la empresa privada están invirtiendo miles de millones en tecnologías cuánticas. En la prensa y los medios de comunicación, las noticias sobre nuevos hitos en el ámbito cuántico se suceden sin interrupción. Algunas aplicaciones visionarias en tecnología de sensores, informática y comunicaciones parecen estar al alcance de la mano. Gracias a las soluciones de test y medida (T&M) de alta precisión de Rohde & Schwarz, las instituciones científicas, industriales y públicas están en condiciones de llevar a cabo test específicos en sistemas cuánticos individuales. Y los expertos en soluciones de cifrado de la compañía están consiguiendo que la seguridad en las comunicaciones sobre base cuántica dé el salto del laboratorio al uso práctico en aplicaciones relevantes.

La computación cuántica, la tecnología de sensores cuántica y la comunicación cuántica son tres tecnologías con un potencial extraordinario. Las cantidades de dinero hablan por sí solas del potencial de innovación que se atribuye a las tecnologías cuánticas. Además de los compromisos globales de conocidos fondos de capital riesgo, también se están dedicando miles de millones de recursos públicos a fondos de investigación nacionales y transnacionales.

El Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, por ejemplo, ha establecido un fondo para la tecnología cuántica de 2600 millones de euros. La iniciativa Quantum Flagship de la Unión Europea cuenta con un presupuesto de al menos 1000 millones de euros, y en el marco de la Ley de Iniciativa Cuántica estadounidense se ha previsto una dotación de 2000 millones de dólares USA.

Los efectos cuánticos se han convertido en parte integral de nuestra vida cotidiana. Los smartphones modernos, por ejemplo, contienen varios miles de millones de transistores, principalmente en chips de memoria flash. Su función –controlar corrientes y tensiones– se basa en las propiedades mecánicas cuánticas de los semiconductores. La primera generación se beneficia de los efectos cuánticos naturales. Por el contrario, la segunda generación de tecnología cuántica está basada en el establecimiento y el control de estados cuánticos individualizados.

Rápido. Más rápido. Computación cuántica.

Nuestro mundo se rige por el código binario. Los ordenadores convencionales procesan datos en forma de secuencias de unos y ceros, verdadero o falso, activo o inactivo. Esto es aplicable a todo lo que nos rodea, desde el simple tratamiento de textos hasta la realidad virtual en el metaverso. Pero el mundo en el que vivimos y trabajamos es cada vez más complejo. La cantidad de datos que tenemos que procesar aumenta de forma imparable. El volumen anual de datos generados digitalmente se ha multiplicado por diez entre 2012 y 2020, y se prevé que vuelva a triplicarse hasta 2025. La cantidad de datos pronosticada supera los 180 zettabytes, o, en términos más conocidos, 180 billones de gigabytes.

Por tanto, los ordenadores convencionales se enfrentan a dos obstáculos insalvables: el tiempo y la complejidad. Cuanto mayor es el volumen de datos, más tiempo se necesita para procesarlos secuencialmente. Y cuanto más complejo es el problema, menos probabilidades hay de que el código binario, que solo conoce dos estados, sea capaz de calcular de forma eficiente una solución. Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de superar ambos obstáculos gracias a los avances de la física moderna.

Conciliar en lugar de excluir

Al igual que los bits convencionales, los bits cuánticos (cúbits) forman unidades de memoria de mecánica cuántica. Además de simples ceros y unos, también pueden adoptar estados superpuestos y mixtos. Esta simultaneidad representa un cambio de paradigma fundamental en la tecnología. Ahora es posible ejecutar métodos de cálculo secuenciales convencionales simultáneamente, y este es el motivo por el que un ordenador cuántico puede ahorrar tanto tiempo.

Pero sobre todo, el nuevo modelo de mecánica cuántica nos permite procesar cuestiones nuevas y mucho más complejas. Y no se trata de excluir un camino y decidirse por otro, de optar solo por la potencia de procesamiento convencional o solo por la computación cuántica. Al contrario, lo importante es conciliar las posibilidades de los sistemas existentes y de los cuánticos en función de la tarea que se plantea.

La física frente a la lógica

En el mundo cuántico, una partícula puede encontrarse en dos lugares al mismo tiempo. Solamente cuando se observa se puede delimitar su ubicación, por ejemplo mediante medidas. En otras palabras, no tiene una ubicación definitiva hasta que se observa. Esta singular característica es a la vez el motivo por el que es sumamente inestable. En lugar de utilizar cúbits físicos individuales, que pueden dar lugar a muchos errores, se agrupan varios cúbits en un cúbit lógico. Pero la dificultad consiste aquí en que se necesitan sistemas cuánticos con casi un millón de cúbits lógicos para resolver cuestiones prácticas como el plegamiento proteico. Un cúbit lógico puede contener hasta 100 cúbits físicos, pero la capacidad de procesamiento más alta es actualmente de solo 127 cúbits físicos.

Zurich Instruments es el miembro más joven de la familia Rohde & Schwarz. El mercado de la instrumentación para la computación cuántica particularmente encierra un enorme potencial para ambas compañías. Para operar y mantener ordenadores cuánticos se requiere una extensa gama de soluciones específicas de test y medida, ya que es necesario generar y medir señales de radiofrecuencia con una precisión extremadamente alta para crear y registrar eficazmente estados cuánticos. Los sistemas de control para ordenadores cuánticos forman parte de la oferta de la compañía.

Seguro. Más seguro. Comunicaciones cuánticas.

Los ordenadores cuánticos probablemente romperán las barreras de la eficiencia de procesamiento. Pero esto acarreará también posibles inconvenientes, por ejemplo en lo que a la seguridad en las comunicaciones se refiere. Esta caja de pandora empezó a abrirse a principios de los 90, con la irrupción de los primeros algoritmos capaces de batir a los algoritmos de cifrado convencionales utilizando ordenadores cuánticos de alto rendimiento.

A partir de entonces han ido surgiendo métodos de cifrado alternativos. Básicamente existen dos enfoques principales. El primero es la criptografía postcuántica, que consiste en métodos de cifrado totalmente convencionales con una diferencia esencial: pueden resistir ataques de ordenadores cuánticos sin verse vulnerados. Los algoritmos utilizados para este enfoque se basan en supuestos teóricos para los que no se conocen actualmente ataques efectivos, ni con ordenadores cuánticos ni con los convencionales.

El otro enfoque se basa en la distribución claves cuánticas (QKD, por sus siglas en inglés). La Oficina Federal para la Seguridad en las Tecnologías de la Información (BSI) de Alemania y el Instituto Nacional de estándares y tecnología de EE. UU. (NIST) son dos impulsores fundamentales de la innovación en este campo. En un mundo que avanza a pasos agigantados hacia la digitalización, los clientes del sector privado, y sobre todo los gubernamentales, necesitan soluciones de seguridad informática de confianza. Las redes de comunicaciones seguras se han convertido en una infraestructura crítica en las sociedades avanzadas de la información.

Estas soluciones innovadoras se centran cada vez más en la criptología. Los métodos convencionales, así como los métodos postcuánticos más recientes, se basan en supuestos matemáticos, es decir, la idea de que determinadas tareas no se pueden calcular con eficiencia suficiente. La distribución de claves cuánticas, en cambio, se basa en principios físicos.

Innovación mediante la colaboración

Además del desarrollo propiamente dicho de la tecnología, la interacción con los clientes y la participación en grupos de investigación y asociaciones sectoriales son también sumamente importantes. Por eso, Rohde & Schwarz ha intervenido desde un principio en numerosas redes emergentes. Algunas de ellas son: