L’era de la quàntica
Formació d’excel·lència
El desenvolupament de les tecnologies quàntiques requereix professionals capaços de fer front als diferents reptes que planteja aquesta nova era. Per donar resposta a les necessitats del sector, la UPC ofereix formació especialitzada, amb el grau en Enginyeria Física com a formació bàsica. Així mateix, les titulacions de grau en Enginyeria de Sistemes de Telecomunicació i Enginyeria Telemàtica inclouen l'assignatura obligatòria Tecnologies d'Informació Quàntica, que és optativa al grau en Enginyeria de Sistemes Aeroespacials.
A més, s'imparteixen diferents programes de postgrau i màster que aporten formació avançada en els diferents camps relacionats. Entre altres, el master’s degree en Engineering Physics, el master’s degree en Cybersecurity, el master’s degree in Advanced Telecommunication Technologies i el master’s degree in Telecommunications Engineering.
També aporten informació especialitzada el postgrau en Enginyeria Quàntica, que imparteix la UPC School, així com el master’s degree in Photonics i el master's degree in Quantum Science and Technology, ambdós de caràcter interuniversitari.
La carrera investigadora en aquest camp es pot continuar amb algun dels programes que ofereix l’Escola de Doctorat de la UPC.
L'investigador Sergi Abadal va obtenir un ajut Starting Grant per dur a terme el projecte WINC
Investigadors del projecte COTTON. D'esquerra a dreta: Rafael Ramos, Mariano López, Enrique Cantó i David Farouk
D'esquerra a dreta, Javier R. Fonollosa, Jordi Pérez-Guijarro i Alba Pagès, investigadors del projecte MADDIE
Membres del Barcelona Quantum Monte Carlo group, que desenvolupa el projecte SOQUGAL. D'esquerra a dreta: Grecia Guijarro, Iacopo Torre i Juan Sánchez
Les tecnologies quàntiques aprofiten els fenòmens del món subatòmic per permetre noves capacitats en els àmbits de la computació, la comunicació, la sensòrica o l’òptica. A la UPC, més d’un centenar d’investigadors i investigadores treballen en el desenvolupament de solucions innovadores en aquest camp.
03/05/2024
La tecnologia quàntica està present en el nostre dia a dia, amb aplicacions com el GPS, que es basa en els rellotges atòmics, el làser o els transistors presents als dispositius electrònics. Ara, la quàntica està immersa en una segona revolució que suposarà un canvi de paradigma, amb computadors més potents, comunicacions més ràpides i segures, o sistemes criptogràfics indesxifrables. Però també implicarà avenços per a una mobilitat més sostenible i eficient, el disseny de nous fàrmacs o millores en la diagnosi mèdica, entre d'altres. I és que les tecnologies quàntiques abasten una àmplia gamma d’aplicacions i disciplines per desenvolupar nous dispositius, sistemes i protocols, basats en els principis de la física subatòmica, un món en què el comportament de la matèria és radicalment diferent i que obre oportunitats il·limitades.
Què és la quàntica?
La mecànica quàntica és la branca de la física que descriu el comportament de les partícules en escala atòmica i subatòmica. Suposa una manera radicalment nova d’interpretar la natura a partir de nous principis i conceptes, com ara la superposició, la simultaneïtat d’estats físics dels sistemes quàntics, o l’entrellaçament, la correlació entre dos o més sistemes quàntics, de forma que l’estat d’una partícula pot afectar instantàniament l’estat de l’altra.
En el món quàntic, la unitat bàsica d’informació és el bit quàntic o qubit. Mentre que en la computació clàssica la unitat bàsica és el bit, que pot representar un 0 o un 1, en computació quàntica el qubit pot representar tant 0 com 1 simultàniament.
La UPC, agent clau en l’ecosistema de les tecnologies quàntiques
Les tecnologies quàntiques estan en fase de desenvolupament a escala global, amb un mercat que multiplicarà per 10 la seva mida els propers anys fins a arribar als 125.000 milions de dòlars el 2030, segons dades de la Generalitat de Catalunya.
En aquest context, la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) se situa com un dels agents clau, tant pels avenços en diverses línies en què treballen els grups de recerca de la Universitat com per les innovacions que estan desenvolupant altres centres de referència vinculats. Així mateix, la col·laboració amb altres centres de recerca i les sinergies amb empreses nacionals i internacionals són essencials per avançar en el desenvolupament de les tecnologies quàntiques.
A la UPC, més d’un centenar d’investigadors i investigadores de nou grups de recerca treballen en el desenvolupament d’aquestes tecnologies. A més, la Universitat compta amb dos centres específics de recerca en aquest camp: l’Intelligent Data Science and Artificial Intelligence Research Center (IDEAI-UPC) i el Centre de Comunicacions Avançades de Banda Ampla (CCABA).
Reptes de la computació quàntica
La implantació dels ordinadors quàntics serà una de les grans novetats d’aquesta nova era. Actualment està clar l’avantatge que suposarà la computació quàntica, la qüestió és quan s’aconseguirà. I quan s’aconsegueixi, aquesta tecnologia tindrà un impacte transversal en qualsevol àrea de la societat. A dia d'avui ja hi ha prototips experimentals creats per empreses com Google o IBM, però encara amb una capacitat de càlcul limitada, lluny del potencial que aquest tipus de tecnologia proporcionarà en un futur.
El principal avantatge d’aquests ordinadors serà la capacitat de resoldre problemes extremadament complexos en un temps exponencialment menor que els ordinadors actuals, mitjançant l’ús de fenòmens quàntics per executar operacions. Però aquesta tecnologia encara presenta reptes importants, relacionats amb la interconnexió de les dades, la implantació de sistemes de gran escala o en termes de seguretat.
Pel que fa a la interconnexió de les dades, l’augment exponencial del volum i la variabilitat de les transferències de dades en els processadors requeriran de sistemes de comunicació ràpids i versàtils, que no presentin les limitacions actuals. En aquest context, en el projecte Xarxes sense fil dins de sistemes informàtics de nova generació (WINC), coordinat pel grup de recerca Sistemes de Comunicacions i Arquitectures de Banda ampla (CBA), s’assaja i valida la integració de nano-xarxes sense fil entre xips d’un processador informàtic. En plantejar una comunicació completament diferent de la dels connectors entre xips convencionals, s’obre la porta al disseny d’arquitectures de computadors radicalment noves, incloent nous i més potents processadors quàntics en relació als prototips actuals. Amb aquestes tecnologies s’augmentarà almenys deu vegades la velocitat, l’eficiència i l’escalabilitat dels sistemes informàtics. Aquesta és la llavor d'una nova generació de processadors, que fomentarà el progrés en el camp de la computació durant les properes dècades. L'investigador Sergi Abadal Cavallé compta amb un ajut Starting Grant de l’European Research Council (ERC) per dur a terme el projecte (vegeu informació).
Un altre dels desafiaments d’aquesta tecnologia és l’escalabilitat. Per aconseguir computadors quàntics capaços d’abordar qualsevol problema del món real, es requereix escalar aquests sistemes en milers o inclús milions de qubits. En aquest repte hi treballa el consorci internacional QUADRATURE, del qual forma part l’IDEAI-UPC. En el projecte Arquitectures quàntiques multi xip escalables per un paquet de xarxa quàntica sense fil criogènica/coherent (QUADRATURE) s’explora la viabilitat de sistemes de computació quàntica de gran escala, apuntant a un ordinador d’un milió de qubits, mitjançant arquitectures distribuïdes de múltiples nuclis processadors, acoblats i coordinats mitjançant xarxes de comunicació quàntiques i clàssiques. Ordinadors que són adequats per resoldre problemes de disseny i de modelatge mitjançant intel·ligència artificial, centrals en àrees com la química, la biologia computacional, la farmacologia o els sistemes de telecomunicació.
La major capacitat de resoldre reptes complexos que tindran els ordinadors quàntics comportarà també riscos de seguretat, ja que els algorismes criptogràfics actuals quedaran totalment obsolets. En aquest sentit, cal desenvolupar nous algoritmes capaços de resistir les amenaces que representen els ordinadors quàntics i preservar la confidencialitat de la informació. Aquest és l’objectiu del projecte Criptosistemes biomètrics per a tecnologies postquàntiques (COTTON), liderat pel Departament d’Enginyeria Electrònica. Se centra en el desenvolupament de sistemes d’identificació biomètrics robustos i resistents a partir d’algorismes criptogràfics que permetin, entre altres, transmetre informació confidencial de manera segura, protegir les bases de dades que continguin informació personal o fer servir de forma segura aplicatius de banca electrònica. Una solució que combina la biometria i la criptografia postquàntica (algorismes criptogràfics resistents als atacs quàntics).
Cap a la comunicació del futur
Un dels àmbits en què la quàntica tindrà més impacte és el de les comunicacions. En aquesta àrea, el projecte Xarxes Àgils Segures d’Ultra Baixa Energia (ALLEGRO), liderat pel grup de recerca en Comunicacions Òptiques, desenvolupa una solució innovadora de xarxa òptica per a xarxes mòbils més enllà de 5G i 6G. La tecnologia modificarà les xarxes òptiques, aplanant el camí per a futurs avenços de xarxa mòbil. Això permetrà augmentar significativament les capacitats de transmissió, reduir els costos de consum d'energia i millorar la seguretat de les dades. Aprofitarà els interruptors òptics integrats fotònics transparents i eficients des del punt de vista energètic, les mesures avançades de seguretat de dades, els transceptors innovadors, les tecnologies multibanda i multi-fibra, i un sistema de gestió d'intel·ligència artificial per millorar el funcionament de la xarxa.
En aquesta mateixa línia, el projecte Recerca en futures xarxes totalment optimitzades mitjançant intel·ligència artificial (TRAINER-A), liderat pel Departament d’Arquitectura de Computadors, té com a objectiu aplicar tècniques d'intel·ligència artificial i aprenentatge automàtic per millorar la gestió i el rendiment de les xarxes més enllà del 5G i el 6G. En el projecte es busca dissenyar i validar una infraestructura per al desplegament complet de xarxes, estudiant també la influència de la tecnologia quàntica en dues direccions. Per una banda, la computació quàntica pot accelerar la transició cap a les exigents xarxes 6G. Per una altra banda, una xarxa 6G preparada per a l’era quàntica necessita distribuir qubits entrellaçats entre diferents nodes de la xarxa, cosa que requerirà d’eines d’orquestració i aprovisionament com les que es desenvolupen en aquest projecte.
Aquest nou escenari que planteja la connexió 6G donarà forma a una nova generació de xarxes i servidors, un ecosistema digital en què les persones interactuarem amb robots, assistents virtuals, cotxes autònoms o serveis de salut basats en la Internet de les coses (IoT). Abordar els desafiaments tecnològics d’aquesta nova era és la finalitat del projecte Tecnologies de comunicació, codificació i processament per a xarxes clàssiques-quantum de propera generació (MADDIE)’, coordinat pel Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions. Per aconseguir-ho, es faran servir tècniques avançades de codificació clàssica i quàntica, així com comunicacions i processament de senyals que tindran un paper clau per donar resposta als reptes que planteja aquest nou escenari. En concret, es treballa en el disseny d’algoritmes de codificació i criptogràfics per aplicacions basades en IoT i s’exploren tecnologies sense fil innovadores. D’aquesta manera es contribuirà al desenvolupament tecnològic que permeti incorporar dispositius amb capacitat de processament d'informació quàntica per millorar les xarxes de telecomunicació de forma eficient i segura.
Simulació quàntica per resoldre reptes complexos
La simulació quàntica és un altre dels àmbits d’aplicació de les tecnologies quàntiques, que permetrà resoldre problemes d’optimització com els que es presenten en logística, models financers complexos, gestió de riscos, disseny de nous materials o machine learning. Aquesta tecnologia donarà pas al desenvolupament d’aplicacions tecnològiques revolucionàries, com ara escàners i sensors de ressonància magnètica d'alta resolució, microprocessadors de baixa potència o cèl·lules solars ultraeficients.
En el projecte Estudi quantitatiu de gasos, líquids i sòlids a baixes temperatures (SOQUGAL), el Barcelona Quantum Monte Carlo, que forma part del grup de recerca Condensed, Complex and Quantum Matter Group (CCQM), du a terme simulacions quàntiques de matèria quàntica ultrafreda. L’objectiu és desenvolupar tècniques numèriques i analítiques per abordar les propietats dinàmiques i de temperatura finita de líquids, gasos d’un component o de mescles multicomponent. El coneixement derivat d’aquesta recerca fonamental obre la porta al desenvolupament de materials amb propietats radicalment noves (com ara superconductors altament eficients i superfícies fotovoltaiques) i tecnologies quàntiques d'última generació (com sensors extremadament sensibles) d'acceleració, pressió, camps magnètics i temperatura, o ordinadors quàntics escalables i sense decoherència (és a dir, sense perdre l’entrellaçament, el seu efecte quàntic).
Transferència a la societat
La quàntica suposa un canvi de paradigma i en aquest sentit s’han posat en marxa iniciatives de gran abast com ara QuantumCAT, el nou hub de tecnologies quàntiques de Catalunya que lidera l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) –institut universitari de recerca adscrit a la UPC–. Aquest hub desenvolupa accions en les àrees de la comunicació i la ciberseguretat, la computació i la simulació, la intel·ligència artificial i la metrologia. El grup en Processament del Senyal i Comunicacions (SPCOM) i el grup CCQM formen part d’aquest hub, que promou projectes de transferència tecnològica i innovació amb un impacte industrial i social a curt i mitjà terminis.
Així mateix, la UPC participa juntament amb l’ICFO, el Barcelona Supercomputing Center – Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) i altres entitats, en la Catalonia Quantum Academy (CQA). Aquesta iniciativa de nova creació neix amb la finalitat de coordinar esforços i aprofitar l’expertesa en aquest camp per reforçar la formació i el desenvolupament professional en l’àmbit de la ciència i les tecnologies quàntiques.
