La tecnología cuántica está presente en nuestro día a día, con aplicaciones como el GPS, que se basa en los relojes atómicos, el láser o los transistores presentes en los dispositivos electrónicos. Ahora, la cuántica está inmersa en una segunda revolución que supondrá un cambio de paradigma, con computadores más potentes, comunicaciones más rápidas y seguras, o sistemas criptográficos indescifrables. Pero también implicará avances para una movilidad más sostenible y eficiente, el diseño de nuevos fármacos o mejoras en la diagnosis médica, entre otros. Y es que las tecnologías cuánticas abarcan una amplia gama de aplicaciones y disciplinas para desarrollar nuevos dispositivos, sistemas y protocolos, basados en los principios de la física subatómica, un mundo en que el comportamiento de la materia es radicalmente diferente y que abre oportunidades ilimitadas.

La UPC, agente clave en el ecosistema de las tecnologías cuánticas

Las tecnologías cuánticas están en fase de desarrollo a escala global, con un mercado que multiplicará por 10 su tamaño los próximos años hasta llegar a los 125.000 millones de dólares el 2030, según datos de la Generalitat de Catalunya.

En este contexto, la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) se sitúa como uno de los agentes clave, tanto por los avances en varias líneas en que trabajan los grupos de investigación de la Universidad como por las innovaciones que están desarrollando otros centros de referencia vinculados. Así mismo, la colaboración con otros centros de investigación y las sinergias con empresas nacionales e internacionales son esenciales para avanzar en el desarrollo de las tecnologías cuánticas.

En la UPC, más de un centenar de investigadores e investigadoras de nueve grupos de investigación trabajan en el desarrollo de estas tecnologías. Además, la Universidad cuenta con dos centros específicos de investigación en este campo: el Intelligent Data Science and Artificial Intelligence Research Center (IDEAI-UPC) y el Centro de Comunicaciones Avanzadas de Banda Ancha (CCABA).

Retos de la computación cuántica

La implantación de los ordenadores cuánticos será una de las grandes novedades de esta nueva era. Actualmente, está clara la ventaja que supondrá la computación cuántica, la cuestión es cuándo se conseguirá. Y cuando se consiga, esta tecnología tendrá un impacto transversal en cualquier área de la sociedad. A día de hoy ya hay prototipos experimentales creados por empresas como Google o IBM, pero todavía con una capacidad de cálculo limitada, lejos del potencial que este tipo de tecnología proporcionará en un futuro.

La principal ventaja de estos ordenadores será la capacidad de resolver problemas extremadamente complejos en un tiempo exponencialmente menor que los ordenadores actuales, mediante el uso de fenómenos cuánticos para ejecutar operaciones. Pero esta tecnología todavía presenta retos importantes, relacionados con la interconexión de los datos, la implantación de sistemas a gran escala o en términos de seguridad.

En cuanto a la interconexión de los datos, el aumento exponencial del volumen y la variabilidad de las transferencias de datos en los procesadores requerirán de sistemas de comunicación rápidos y versátiles, que no presenten las limitaciones actuales. En este contexto, en el proyecto Redes inalámbricas dentro de sistemas informáticos de nueva generación (WINC), coordinado por el grupo de investigación Sistemas de Comunicaciones y Arquitecturas de Banda ancha (CBA), se ensaya y valida la integración de nano-redes inalámbrica entre chips de un procesador informático. Al plantear una comunicación completamente diferente a la de los conectores entre chips convencionales, se abre la puerta al diseño de arquitecturas de computadores radicalmente nuevas, incluyendo nuevos y más potentes procesadores cuánticos en relación con los prototipos actuales. Con estas tecnologías se aumentará al menos diez veces la velocidad, la eficiencia y la escalabilidad de los sistemas informáticos. Esta es la semilla de una nueva generación de procesadores, que fomentará el progreso en el campo de la computación durante las próximas décadas. El investigador Sergi Abadal Cavallé cuenta con una ayuda Starting Grant del European Research Council (ERC) para llevar a cabo el proyecto (ver información).

Otro de los desafíos de esta tecnología es la escalabilidad. Para conseguir computadores cuánticos capaces de abordar cualquier problema del mundo real, es necesario escalar estos sistemas en miles o incluso millones de qubits (unidad básica de información en el mundo cuántico). En este reto trabaja el consorcio internacional QUADRATURE, del cual forma parte el IDEAI-UPC. En el proyecto Arquitecturas cuánticas multi chip escalables por un paquete de red cuántica inalámbrica criogénica/coherente (QUADRATURE) se explora la viabilidad de sistemas de computación cuántica de gran escala, apuntando a un ordenador de un millón de qubits, mediante arquitecturas distribuidas de múltiples núcleos procesadores, acoplados y coordinados mediante redes de comunicación cuánticas y clásicas. Ordenadores que son adecuados para resolver problemas de diseño y de modelado mediante inteligencia artificial, centrales en áreas como la química, la biológica computacional, la farmacología o los sistemas de telecomunicación.

La mayor capacidad de resolver retos complejos que tendrán los ordenadores cuánticos comportará también riesgos de seguridad, puesto que los algoritmos criptográficos actuales quedarán totalmente obsoletos. En este sentido, hay que desarrollar nuevos algoritmos capaces de resistir las amenazas que representan los ordenadores cuánticos y preservar la confidencialidad de la información. Este es el objetivo del proyecto Criptosistemas biométricos para tecnologías postcuánticas (COTTON), liderado por el Departamento de Ingeniería Electrónica. Se centra en el desarrollo de sistemas de identificación biométricos robustos y resistentes a partir de algoritmos criptográficos que permitan, entre otros, transmitir información confidencial de manera segura, proteger las bases de datos que contengan información personal o usar de forma segura aplicativos de banca electrónica. Una solución que combina la biometría y la criptografía postcuántica (algoritmos criptográficos resistentes a los ataques cuánticos).

Hacia la comunicación del futuro

Uno de los ámbitos en que la cuántica tendrá un mayor impacto es el de las comunicaciones. En esta área, el proyecto Redes Ágiles Seguras de Ultra Baja Energía (ALLEGRO), liderado por el grupo de investigación en Comunicaciones Ópticas, desarrolla una solución innovadora de red óptica para redes móviles más allá de 5G y 6G. La tecnología modificará las redes ópticas, allanando el camino para futuros adelantos de red móvil. Esto permitirá aumentar significativamente las capacidades de transmisión, reducir los costes de consumo de energía y mejorar la seguridad de los datos. Aprovechará los interruptores ópticos integrados fotónicos transparentes y eficientes desde el punto de vista energético, las medidas avanzadas de seguridad de datos, los transceptores innovadores, las tecnologías multibanda y multi-fibra, y un sistema de gestión de inteligencia artificial para mejorar el funcionamiento de la red.

En esta misma línea, el proyecto Investigación en futuras redes totalmente optimizadas mediante inteligencia artificial (TRAINER-A), liderado por el Departamento de Arquitectura de Computadores, tiene como objetivo aplicar técnicas de inteligencia artificial y aprendizaje automático para mejorar la gestión y el rendimiento de las redes más allá del 5G y el 6G. En el proyecto se busca diseñar y validar una infraestructura para el despliegue completo de redes, estudiando también la influencia de la tecnología cuántica en dos direcciones. Por un lado, la computación cuántica puede acelerar la transición hacia las exigentes redes 6G. Por otra banda, una red 6G preparada para la era cuántica necesita distribuir qubits entrelazados entre diferentes nodos de la red, cosa que requerirá de herramientas de orquestación y aprovisionamiento como las que se desarrollan en este proyecto.

Este nuevo escenario que plantea la conexión 6G dará forma a una nueva generación de redes y servidores, un ecosistema digital en que las personas interactuaremos con robots, asistentes virtuales, coches autónomos o servicios de salud basados en el Internet de las cosas (IoT). Abordar los desafíos tecnológicos de esta nueva era es la finalidad del proyecto Tecnologías de comunicación, codificación y procesamiento para redes clásicas-quantum de próxima generación (MADDIE)’, coordinado por el Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones. Para conseguirlo, se usarán técnicas avanzadas de codificación clásica y cuántica, así como comunicaciones y procesamiento de señales que tendrán un papel clave para dar respuesta a los retos que plantea este nuevo escenario. En concreto, se trabaja en el diseño de algoritmos de codificación y criptográficos por aplicaciones basadas en IoT y se exploran tecnologías inalámbrica innovadoras. De este modo se contribuirá al desarrollo tecnológico que permita incorporar dispositivos con capacidad de procesamiento de información cuántica para mejorar las redes de telecomunicación de forma eficiente y segura.

Simulación cuántica para resolver retos complejos

La simulación cuántica es otro de los ámbitos de aplicación de las tecnologías cuánticas, que permitirá resolver problemas de optimización como los que se presentan en logística, modelos financieros complejos, gestión de riesgos, diseño de nuevos materiales o machine learning. Esta tecnología dará paso al desarrollo de aplicaciones tecnológicas revolucionarias como escáneres y sensores de resonancia magnética de alta resolución, microprocesadores de baja potencia o células solares ultraeficientes.

En el proyecto Estudio cuantitativo de gases, líquidos y sólidos a bajas temperaturas (SOQUGAL), el Barcelona Quantum Monte Carlo, que forma parte del grupo de investigación Condensed, Complex and Quantum Matter Group (CCQM), realiza simulaciones cuánticas de materia cuántica ultrafría. El objetivo es desarrollar técnicas numéricas y analíticas para abordar las propiedades dinámicas y temperatura finita de líquidos, gases de un componente o de mezclas multicomponente. El conocimiento derivado de esta investigación fundamental abre la puerta al desarrollo de materiales con propiedades radicalmente nuevas (como superconductores altamente eficientes y superficies fotovoltaicas) y tecnologías cuánticas de última generación (como sensores extremadamente sensibles) de aceleración, presión, campos magnéticos y temperatura, u ordenadores cuánticos escalables y sin decoherencia (es decir, sin perder el entrelazamiento, su efecto cuántico).