

Jesús Folgueira
Ingeniero de Telecomunicación. Gerente de Redes IP y de Transporte, CTIO Telefónica.
Segunda revolución cuántica
Una nueva forma de entender y construir nuestro entorno
Las tecnologías cuánticas cambiarán la forma de procesar y transmitir la información. Son complejas porque se alejan de nuestros sentidos, pero prometen unas capacidades que solo estamos empezando a entender. La fuerte competencia acelera el ritmo de innovación, y la computación y las comunicaciones cuánticas ya ofrecen unos primeros resultados tangibles. Es la segunda revolución cuántica –la primera fue la que dio origen a la electrónica– que expandirá los límites actuales de las TIC.
La actual disrupción de las tecnologías cuánticas se apoya en dos revoluciones del siglo XX. Por un lado, la física cuántica, que explica los fenómenos del mundo microscópico. Por otro lado, las tecnologías de la información y las comunicaciones, que permiten el procesado y transmisión de la información.
La convergencia de estas dos áreas de conocimiento da origen a la teoría cuántica de la información, que usa los principios de la física cuántica para el envío y procesado de la información. Las principales aplicaciones son la computación, las comunicaciones y la metrología cuánticas.
La computación cuántica explota las propiedades cuánticas para alcanzar un salto respecto a los ordenadores actuales. Las comunicaciones cuánticas se centran en la transmisión de la información cuántica. Por último, la metrología cuántica ofrecerá una precisión mucho mayor en la medida de magnitudes físicas, o incluso el acceso a medidas no accesibles con métodos clásicos.
Si no se aíslan, los bits cuánticos se van borrando, produciendo errores que se hacen más evidentes conforme avanza un cálculo
El camino hacia la computación cuántica
Un ordenador cuántico no es más que un ordenador que procesa la información atendiendo a las leyes de la física cuántica, explotando unos fenómenos que no se usaban porque no había acceso efectivo a ellos, a diferencia de los que son la base de la electrónica. Es un cambio radical de modelo, una transición equivalente al salto a los ordenadores electrónicos, ahora con las leyes de la física cuántica en lugar de las de la electrónica.

La física cuántica gobierna el comportamiento de los objetos del mundo microscópico. Nos dice que no tienen sus propiedades definidas hasta el momento en que se realiza una observación. Así, las leyes cuánticas nos dicen que sería posible tener un imán donde el polo Norte apunta a la vez hacia arriba y hacia abajo. Este fenómeno de las propiedades de los sistemas cuánticos es la superposición. El espín de un átomo apuntará simultáneamente arriba o abajo o la polarización de un fotón podrá ser vertical u horizontal. Solo la observación del sistema permitirá conocer, con una cierta probabilidad, el estado.
Un qubit es un vector que representa un estado, cuyo significado depende de la realización física que soporte el procesado cuántico de la información
Los qubits
Los bits son los elementos básicos de la teoría clásica de la información (1), pudiendo tomar dos valores distintos: 0 y 1. La teoría cuántica de la información usa qubits o bits cuánticos.
Un qubit es un vector que representa un estado, cuyo significado depende de la realización física que soporte el procesado cuántico de la información. Puede ser el espín de un átomo o la polarización de un fotón. Por ejemplo, |0> puede corresponder a un fotón polarizado verticalmente o un espín hacia arriba; |1> puede corresponder a un fotón polarizado horizontalmente o a un espín hacia abajo.
La superposición de un estado genérico se describe con la expresión |ψ>=α |0> + β|1>. Estos dos números (α y β) indican que, al observar el objeto, se encontrará con más o menos probabilidad uno de los estados base, por ejemplo, apuntando arriba o abajo. Esto es generalizable a muchos qubits:
llevando a un número exponencial de configuraciones a partir de múltiples estados simultáneos, 2N (N, número de qubits). Esto es la base del paralelismo cuántico, responsable de la potencia de cálculo en los computadores cuánticos. Es equivalente a tener un número muy grande de ordenadores haciendo operaciones a la vez.
Situación actual
Los primeros prototipos ya tienen alguna capacidad adicional a los sistemas clásicos, pero todavía están lejos de lo que desearíamos. El reto es que su construcción requiere unas condiciones especiales, como temperaturas muy bajas o vacíos extremos, y que no interaccionen prácticamente con nada. Esto hace difícil extraer todos los beneficios potenciales, algo equivalente a los primeros ordenadores de hace 80 años, limitados a cálculos concretos y que ocupaban plantas enteras.
El problema fundamental son los errores. La observación de los qubits destruye la superposición, no solo durante el proceso de cálculo, sino cuando hay interacciones con cualquier otro objeto. Si no se aíslan, los bits cuánticos se van borrando, produciendo errores que se hacen más evidentes conforme avanza un cálculo.
Hay dos opciones. La primera es aprender a vivir con estos errores. Son los ordenadores ruidosos o NISQ (Noisy intermediate-scale quantum) (2). La otra opción es corregir los errores. Se usan más bits cuánticos y cuando se producen errores estos se van corrigiendo. Son los ordenadores escalables. Ahora estamos en la era NISQ y se espera entrar en la era escalable a partir de 2030.
El progreso tecnológico ha sido continuo: el primer prototipo viable data de 1996. En 2012 la industria entró en el campo y en 2019 hubo un experimento que demostró la ventaja de un ordenador cuántico NISQ sobre un superordenador. Con los ordenadores escalables podremos disfrutar de todas las capacidades esperadas. Entre ellas hay una amenaza, que es la ruptura de los métodos de encriptado actuales, lo que ha acelerado el desarrollo de nuevos algoritmos y de las propias comunicaciones cuánticas.

Aplicaciones
Hay aplicaciones en las que los ordenadores NISQ pueden ser más eficientes que un ordenador clásico, por velocidad o porque estudien sistemas (materiales, reacciones, …) en que las propiedades cuánticas son parte esencial de su comportamiento y no sea viable estudiarlo con ordenadores clásicos.
En otros problemas habrá que esperar a ordenadores escalables. A largo plazo, los ordenadores cuánticos ofrecerán nuevas posibilidades y, como en toda revolución tecnológica, aparecerán aplicaciones imposibles de predecir hoy en día.
Comunicaciones cuánticas y seguridad de la información
Las comunicaciones cuánticas son el conjunto de tecnologías que se apoyan en las leyes de la física cuántica para la transmisión de información. Algunos ingredientes básicos ya están disponibles tecnológicamente en sus primeras etapas. Son los canales cuánticos, los emisores y detectores y la capacidad de preparar y analizar los estados representados por los Qubits. Otros elementos clave, como capacidades de procesado y memorias cuánticas, están todavía en desarrollo.
Con estos primeros ingredientes, surge como aplicación práctica la criptografía cuántica, conocida como QKD (Quantum Key Distribution), que garantiza la seguridad del intercambio de claves gracias al principio cuántico de no-clonación.
Bases de la criptografía cuántica
La QKD permite el intercambio seguro de claves transmitidas mediante Qubits en un canal cuántico. Estas claves se usan para encriptar una comunicación clásica usando protocolos conocidos. Otro componente habitual es el QRNG (Quantum Random Number Generator), que permite obtener números verdaderamente aleatorios para la generación de las claves.

QKD es el único medio de distribución de clave simétrica matemáticamente seguro, ya que asume que el atacante puede acceder a los canales de intercambio. Es resistente a cualquier ataque computacional, sea clásico o cuántico, a diferencia de los métodos tradicionales de encriptación o las nuevas soluciones de criptografía post-cuántica.
Los componentes de un sistema de QKD son un transmisor y un receptor de Qubits en los extremos de la comunicación, un canal cuántico y un canal público autenticado entre dichos extremos.
Tecnologías actuales y aplicaciones
Los elementos que determinan las capacidades del sistema QKD son los medios de transmisión y los límites tecnológicos. Los medios de transmisión más habituales son los enlaces de satélite, que alcanzan grandes distancias (>1000 km), con alto coste de la infraestructura, y la fibra óptica, con un alcance menor (<100 km), pero bajo coste de infraestructura.
Las limitaciones tecnológicas se deben a que no se pueden usar componentes activos, ya que modifican las señales destruyendo el canal cuántico, y a que las señales cuánticas son extremadamente débiles frente al ruido y al resto de señales presentes. Todo esto establece un límite a la distancia máxima que los sistemas QKD pueden alcanzar.
La criptografía cuántica, conocida como QKD, garantiza la seguridad del intercambio de claves gracias al principio cuántico de no-clonación
Las tecnologías actuales son las tecnologías DV-QKD o de variable discreta (madura, con mayores alcances, pero con componentes optoelectrónicos especiales y medios de transmisión dedicados) y CV-QKD o de variable continua (emergente, con optoelectrónica estándar y sin medios dedicados).
Las soluciones QKD ya están disponibles comercialmente sobre variable discreta, pero su ámbito de aplicación es limitado. La generalización vendrá de su adopción por los operadores de telecomunicaciones, con soluciones estándares, compatibles con las redes actuales (variable continua), automatizadas e integrables con facilidad en la operación de la red.
Las aplicaciones iniciales serán la seguridad en los servicios de empresa y la protección interna en la red del operador, y se usarán en combinación con cualquier otra técnica criptográfica.

Hacia una internet cuántica
La internet cuántica no sustituirá a la actual: añadirá capacidades de comunicaciones cuánticas. Necesitará canales cuánticos que soporten la transmisión de qubits, repetidores cuánticos (similares a los routers actuales) y un mayor número y variedad de terminales cuánticos conectados a la red.
El camino probablemente será similar al recorrido por la internet actual. Desde el momento en que empezaron a usarse los ordenadores surgió la necesidad de conectarlos entre sí. El avance tecnológico ha impulsado los terminales, la evolución de las redes y sus protocolos y, por último, ha favorecido la explosión de todo tipo de aplicaciones.

La supremacía cuántica
En 2019, John Martinis (3), de Google, publicó que un ordenador cuántico basado en el procesador Sycamore de 53 Qubits había sido capaz de realizar en unos 3 minutos una tarea que en un ordenador clásico tardaría más de 10.000 años.
Una oportunidad: el ecosistema de innovación en España
Europa ha estado activa en los últimos años en tecnologías cuánticas, si bien sigue por detrás de de EE.UU. o China. Programas actuales como Quantum Flagship y EuroQCI están impulsando fuertemente el ecosistema europeo.
En España, hay grupos de investigación y empresas activos en este campo (Telefónica tiene desde 2018 -4- una infraestructura QKD sobre su red), bajo el ecosistema de I+D europeo, y entramos en la fase de startups (LuxQuanta en CV-QKD o QUSIDE en QRNG). Recientemente se han lanzado dos iniciativas nacionales financiadas con fondos europeos en computación y comunicaciones cuánticas, lideradas por el Centro de Supercomputación de Barcelona y la UPM, respectivamente.
Debemos aprovechar este impulso y tener un papel destacado en esta disrupción tecnológica.
NOTAS
- Shannon, Claude (1948). ‘A mathematical theory of communication’. Bell System Technical Journal 27.
- ‘Quantum Computing in the NISQ era and beyond’, Quantum 2, 79 (2018), John Preskill; https://doi.org/10.48550/arXiv.1801.00862
- ‘Quantum supremacy using a programmable superconducting processor’, Nature, 574.
- ‘The Engineering of a SDN Quantum Key Distribution Network’, IEEE Comms Mag, July 2029, especial ‘The Future of Internet’. DOI: 10.1109/MCOM.2019.1800763; http://arxiv.org/abs/1907.00174