Cómo las soluciones de prueba y medición, así como el cifrado de redes habilitan nuevas aplicaciones de tecnología cuántica

El sector público y el privado invierten miles de millones en tecnología cuántica. Los medios de comunicación informan sobre los rápidos avances de la tecnología cuántica. Aplicaciones visionarias en tecnología de sensores, computación y comunicaciones parecen estar ya al alcance. Las soluciones de prueba y medición de gran precisión de Rohde & Schwarz permiten al sector científico, a la industria y a instituciones públicas realizar pruebas específicas en sistemas cuánticos individuales. Así también, expertos en cifrado de la compañía ponen a disposición, desde sus laboratorios, comunicaciones seguras basadas en tecnología cuántica para utilizarse en aplicaciones relevantes.

Computación cuántica, tecnología de sensores cuánticos y comunicaciones cuánticas: las tres tecnologías tienen potencial disruptivo. Las cantidades de dinero hablan por sí solas acerca del potencial de innovación atribuido a las tecnologías cuánticas. Además de los compromisos globales de fondos de capital de riesgo bien conocidos, miles de millones en recursos públicos también son canalizados en fondos para la investigación nacional y transnacional.

El Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, por ejemplo, ha creado un fondo de tecnología cuántica de 2600 millones de euros. La iniciativa de la tecnología insignia cuántica de la UE ha presupuestado al menos 1000 millones de euros y la National Quantum Initiative Act (ley de iniciativa cuántica nacional) de los EE. UU. tiene a su disposición 2000 millones de dólares estadounidenses.

Los efectos cuánticos se han vuelto parte de nuestra vida cotidiana. Los smartphones modernos, por ejemplo, contienen varios cientos de miles de millones de transistores, principalmente en los chips de memoria flash. Su función, controlar la corriente y el voltaje, se basa en las propiedades mecánicas cuánticas de los semiconductores. La primera generación aprovecha los efectos cuánticos naturales. Por el contrario, la segunda generación de la tecnología cuántica se basa en la creación y el control de estados cuánticos individuales.

Rápidas. Más rápidas. Computación cuántica.

Nuestro mundo se controla por un código binario. Las computadoras convencionales procesan los datos como una secuencia de unos y ceros, verdadero o falso, prendido o apagado. Esto se aplica a todo, desde un simple procesamiento de textos hasta la realidad virtual en el metaverso. Pero el mundo en el que vivimos y trabajamos está volviéndose cada vez más complejo. La cantidad de datos que necesitamos procesar está creciendo rápidamente. El volumen anual de datos generados de manera digital ha aumentado diez veces entre el 2012 y 2020, y actualmente se espera que se triplique de nuevo para el 2025. La cantidad de datos pronosticada es más de 180 zettabytes, o en términos más familiares, 180 billones de gigabytes.

Por esta razón, las computadoras convencionales enfrentan dos obstáculos insalvables: tiempo y complejidad. Cuanto mayor sea el volumen de datos, mayor es el tiempo que se necesita para procesar estos datos de manera secuencial. Mientras más complejo sea el problema, menor será la probabilidad de que el código binario, con solo dos estados, pueda ser capaz de calcular de manera eficiente una solución. Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar ambos obstáculos gracias a sus conocimientos de física moderna.

La mejor solución: trabajo en conjunto

Al igual que los bits convencionales, los bits cuánticos (qubits) forman unidades de memoria mecánica cuántica. Además de ceros y unos, pueden también asumir estados superpuestos y mixtos. Esta simultaneidad representa un cambio de paradigma tecnológico fundamental. Ahora podemos ejecutar métodos convencionales de cálculo secuencial de manera simultánea, por esta razón una computadora cuántica puede ahorrarnos mucho tiempo.

Pero sobre todo, el nuevo enfoque de la mecánica cuántica nos permite procesar problemas nuevos y mucho más complejos. Sin embargo, no se trata de una decisión por la potencia de procesamiento convencional o por la computación cuántica. En cambio, lo que importa es integrar los sistemas existentes y los cuánticos en función de la tarea.

Física contra lógica

En el mundo cuántico, una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Solo cuando se la observa puede limitarse su ubicación, por ejemplo, al medirla. En otras palabras, no tiene una ubicación definitiva hasta que se la observa. Esta propiedad inusual es también el por qué es extremadamente inestable. En lugar de utilizar qubits físicos individuales, los cuales pueden ser muy propensos a errores, se agrupan múltiples qubits en un qubit lógico. Sin embargo, el desafío aquí es que se necesita sistemas cuánticos con hasta un millón de qubits lógicos para responder preguntas prácticas, como el plegamiento de proteínas. Un qubit lógico puede contener hasta 100 qubits físicos, pero la más alta capacidad de procesamiento es actualmente de solo 127 qubits físicos.

Zurich Instruments es el miembro más joven de la familia Rohde & Schwarz. El mercado de prueba y medición para la computación cuántica, en particular, tiene un enorme potencial para ambas compañías. El funcionamiento y mantenimiento de las computadoras cuánticas requieren de una amplia gama de soluciones de prueba y medición específicas, debido a que las señales de RF necesitan generarse y medirse con una precisión extremadamente alta para crear y grabar de manera eficaz los estados cuánticos. Los sistemas de control para las computadoras cuánticas forman parte del catálogo de productos de la compañía.

Segura. Más seguridad. Comunicaciones cuánticas

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar los límites de la eficiencia de procesamiento. Pero esto conlleva a desafíos, como las comunicaciones seguras. La caja de Pandora empezó a abrirse a inicios de los años 90, con la aparición de los primeros algoritmos que podían romper los algoritmos criptográficos convencionales mediante la utilización de computadoras cuánticas de alto rendimiento.

Desde entonces han salido a la luz métodos de cifrado alternativos. Existen esencialmente dos enfoques principales. El primero es la criptografía poscuántica, la cual abarca completamente los métodos de cifrado convencionales con una diferencia clave: que pueden sobrevivir indemnes a los ataques de computadoras cuánticas. Los algoritmos utilizados en este enfoque se basan en supuestos teóricos para los cuales no se conocen actualmente ataques eficaces mediante computadoras cuánticas o convencionales.

El otro enfoque está relacionado con la distribución de claves cuánticas (QKD). La Oficina Federal de Seguridad de la Información Alemana (BSI) y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) son dos de los principales impulsores de la innovación en esta área. En un mundo cada vez más digitalizado, los clientes del sector privado y los usuarios profesionales del sector gubernamental en particular, dependen de soluciones de seguridad informática confiables. Las redes de comunicaciones seguras se han convertido en una infraestructura crucial en sociedades de información avanzadas.

Estas soluciones innovadoras están cambiando el enfoque de la criptología. Los métodos convencionales, así como también los métodos poscuánticos más recientes, se basan en supuestos matemáticos, es decir, en la idea de que ciertas tareas no pueden calcularse con suficiente eficacia. La distribución de claves cuánticas, por el contrario, se basa en principios físicos.

Innovación a través del trabajo conjunto

Además de desarrollar tecnología, es también importante interactuar con los clientes y participar en grupos de investigación y asociaciones industriales. Rohde & Schwarz ha formado parte de muchas redes emergentes desde el inicio. Aquí tenemos algunas: