Los diferentes tipos de tecnologías cuánticas y sus aplicaciones

Descubre los tipos de tecnologías cuánticas más prometedoras y sus aplicaciones en áreas clave como criptografía, computación y más.

La computación y tecnologías cuánticas están ganando presencia en el mercado tecnológico actual debido a sus capacidades de cálculo diferentes a las de la computación clásica. Esto se ha manifestado en un aumento de la inversión dedicada a la investigación y desarrollo en el campo. Un ejemplo es la publicación de los nuevos protocolos de criptografía post-cuántica por parte del National Institute of Standards and Technology (NIST) y su adopción por parte de empresas como Cloudflare o Google. En este artículo vamos a abordar los tipos de tecnologías cuánticas más prometedoras y sus posibles aplicaciones en casos de interés.

COMPUTACIÓN CUÁNTICA DIGITAL 

La más conocida es la computación cuántica digital, la cual consiste en el uso de circuitos cuánticos para realizar cálculos. Los circuitos cuánticos son el análogo cuántico a los circuitos lógicos clásicos, pero con ciertas diferencias. Mientras que en los circuitos clásicos avanza una señal electrónica digital, en los circuitos cuánticos avanzan los qubits. Igualmente, mientras en un circuito clásico se aplican puertas lógicas, en los circuitos cuánticos se aplican puertas unitarias. Estas puertas unitarias son operaciones matriciales sobre los qubits que modifican sus valores y son reversibles.

En principio, la computación cuántica digital permite realizar cualquier algoritmo cuántico o clásico. Esto hace que se destine principalmente a áreas más generales. Un ejemplo sería el área del análisis y ciencia de datos, donde se necesitan algoritmos diferentes para tratar los datos. Esto también hace que sea la tecnología más adecuada para intentar hacer tareas de inteligencia artificial cuántica. Otro ejemplo es la simulación de sistemas cuánticos, ya que simular un sistema cuántico de forma precisa requiere una cantidad extrema de memoria y tiempo. Con esta tecnología, se puede tener un sistema cuántico controlable que replique el comportamiento del que queremos estudiar al seguir las mismas leyes físicas. Además, se puede usar para simular ciertos sistemas clásicos. Otro ejemplo es la criptografía, sobre todo el ataque a protocolos criptográficos. Existen algoritmos como el de Shor, que permite romper la RSA, el protocolo criptográfico más utilizado actualmente.

COMPUTACIÓN CUÁNTICA ADIABÁTICA

La segunda tecnología que abordaremos es la computación cuántica adiabática, una de las más avanzadas en el campo de la computación cuántica actual. Esta técnica utiliza un dispositivo llamado quantum annealer, que realiza un proceso de recocido cuántico. Este proceso implica comenzar con un sistema cuántico de alta energía y reducir gradualmente esa energía, «enfriándolo» hasta alcanzar su nivel mínimo.

Un sistema cuántico puede estar en una combinación simultánea de todos sus estados posibles. Si cada uno de esos estados representa una posible solución al problema, el sistema evalúa todas las soluciones al mismo tiempo. Podemos diseñar el sistema para que las soluciones menos óptimas tengan mayor energía. De este modo, al enfriarse, el sistema favorecerá el estado correspondiente a la solución óptima. Al final del proceso, al medir el sistema, obtendremos con alta probabilidad la mejor solución posible al problema.

¿Y qué aplicaciones puede tener esto? A diferencia de otras tecnologías que aún están lejos de su uso comercial, los quantum annealers ya se utilizan comercialmente. Aunque puede hacer computación universal como la digital, los annealers están especializados en la optimización combinatoria. Se realiza una formulación específica para el problema a resolver, se introduce en los parámetros del annealer y este devuelve la solución. Ejemplos incluyen problemas logísticos, planificación, optimización de rutas, mejora de inversiones, redes eléctricas y productividad laboral.

COMPUTACIÓN CUÁNTICA BASADA EN MEDICIONES (MBQC)

La tercera que vamos a mencionar es la poco conocida computación cuántica basada en mediciones (MBQC). Esta tecnología no tiene un análogo clásico y está basada en la teleportación cuántica. Esta consiste en la preparación y medición de unos sistemas llamados estados grafo. Para aplicar operaciones lo único que se hace es medir el sistema en diferentes ángulos. 

La MBQC permite realizar cualquier cálculo, pero se puede dedicar a la computación cuántica delegada segura. ¿Qué es esto? Imagina que quieres ejecutar una algoritmo cuántico en un dispositivo externo, como cuando usas los servidores de Google. Sin embargo, no quieres que el servidor externo tenga ni los datos del problema, ni las operaciones que realizas, ni la salida del algoritmo. Esto es interesante para casos en los que se trabaja con información sensible o no puedes confiar en el servidor externo. El usuario puede enviar los qubits con un cierto ángulo inicial que solo él conoce y decirle al servidor externo en qué ángulos medir. Como toda la información de datos, operaciones y salidas está codificada en estos ángulos, al no saber el ángulo inicial, el servidor no puede saber ninguna información del proceso. Cualquiera podría ejecutar algoritmos cuánticos en servidores externos no confiables solamente conectando un dispositivo de un qubit por una fibra óptica pública con completa seguridad. Además, esto también permite conocer si el servidor externo intenta boicotearnos dándonos resultados falsos o incorrectos.

DISTRIBUCIÓN CUÁNTICA DE CLAVES (QKD)

La cuarta es la distribución cuántica de claves (QKD). Esta consiste en el envío de claves mediante canales cuánticos sin que nadie pueda interceptarlas por el camino. Esto es debido al uso inteligente del teorema de no clonación, un principio físico que hace que sea imposible copiar un sistema cuántico. Con esto, nadie podría copiar el sistema que generará la clave en el destino. Esto suele realizarse mediante el envío de partículas de luz a través de fibras ópticas dedicadas entre máquinas específicas. Aún así hay bastantes limitaciones que hay que resolver para mejorar la topología de red.

Esta tecnología es necesaria para mejorar la seguridad de los sistemas criptográficos. Pensemos que si alguien intercepta la clave, da igual qué protocolo usemos, que ya estará vulnerado. El aumento de la preocupación por los ataques cuánticos hace que sea más necesaria, sobre todo para infraestructuras críticas.

DISTRIBUCIÓN CUÁNTICA DE CLAVES (QKD)

Finalmente está la sensórica cuántica. Esta aprovecha la sensibilidad de los sistemas cuánticos ante las perturbaciones externas para crear sensores extremadamente precisos. Esta se lleva desarrollando durante mucho tiempo, sobre todo para experimentos de física fundamental. Lleva décadas dando buenos resultados experimentales, y tiene aplicación industrial en la actualidad. Evidentemente, esto tiene una gran utilidad para cualquier lugar donde haya sensores integrados.

Con esto, hemos visto los tipos de tecnologías cuánticas más interesantes y aplicables hoy en día, y donde podemos utilizarlas. Aún así, existen muchas más tecnologías que pueden traer nuevas aplicaciones futuras.

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