Tecnologías cuánticas: la revolución 4.0 del siglo XXI

Mario Ramón Duarte

24/06/2020

Opinión

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En los albores de este nuevo y convulsionado siglo que transitamos (XXI), azotados por una pandemia que sigue tomando grandes y desconocidas dimensiones a nivel global, la tecnología sigue también expandiéndose a ritmo vertiginoso, en concordancia a la nueva era que transcurre ante nuestras vidas de forma atónita, repleta de oportunidades, pero a la vez también plagada incertidumbres en el común de las personas.

Las grandes revoluciones en la historia de la tecnología han implicado nuevas formas de utilizar la naturaleza explotando los recursos que puede ofrecer, a través de la historia el ser humano ha utilizado diversos materiales y múltiples mecanismos en el diseño, construcción y operación de máquinas que agilicen y automaticen la realización de cálculos y el procesamiento de información. Desde el ABACO (instrumento manual para cálculos aritméticos) hasta la aparición de los últimos equipos de computación existentes en el mercado.

En esta búsqueda ha recorrido diferentes caminos y para explicar los fenómenos ocurridos en el macro mundo debemos recurrir al microcosmo, recordando que todo lo que conocemos está compuesto por átomos. Una de las áreas de mayor investigación actualmente es la computación cuántica, que correlaciona elementos de la informática teórica y la mecánica cuántica, para producir modelos de computación que utilicen todo el potencial, las propiedades y los efectos inherentes a las partículas atómicas.

El impacto de esta naturaleza ha sido colosal, gracias a ello hemos podido conocer que, “la microfísica actual sería inconcebible sin el auxilio de los principios cuánticos”. La teoría moderna de la información surgió de los trabajos de Claude Shannon, matemático estadounidense que a finales de la década de los cuarenta del siglo pasado formuló las ecuaciones básicas de dicha teoría. Un poco antes, los físicos, Bardeen, Brattain y Shockley, habían inventado el transistor, producto de la aplicación de la mecánica cuántica a la física de materiales y casi al mismo tiempo Jhon von Neumann elaboraba su teoría de los autómatas, origen de la robótica moderna.

Estos descubrimientos han sido decisivos para el desarrollo en la práctica de los conceptos de la teoría de la información, y es innegable que la teoría cuántica desempeña un importante papel en la comprensión profunda de los elementos físicos necesarios para este desarrollo.

Ahora bien, entrando de lleno al tema que nos atañe, es dable advertir que la tecnología cuántica vendrá para revolucionar todo lo que conocemos en la actualidad. Desde los ordenadores cuánticos, que permitirán una mayor capacidad de cómputo que los actuales, hasta otras tecnologías basadas en la física cuántica que podrían traer ese futuro que se ve en muchas películas de ciencia ficción hasta nuestros días. E incluso, ahora que estamos en una emergencia climática, también podría ayudar a combatir el cambio climático o en emergencia sanitaria para combatir la pandemia que padecemos en la actualidad.

Muchas de las tecnologías actuales están basadas en la física o mecánica clásica. Pero la mecánica cuántica está aún “en pañales”. Hay incógnitas que los científicos no conocen y necesita de toda una teoría nueva. Las supercomputadoras basadas en tecnología cuántica podrían hacer simulaciones mucho más certeras sobre los comportamientos a esos niveles, algo que con las actuales supercomputadoras no se puede hacer bien. Es decir, esta nueva HPC cuántica ayudará a descubrir más y más cosas sobre la propia cuántica. Es tal su potencial, que el liderazgo de la supremacía en la tecnología cuántica en el plano Geopolítico, ya se ha transformado en otro objeto de batalla entre Estados Unidos y China, principalmente. Ambos están invirtiendo ingentes cantidades de dinero en nuevos laboratorios que les permitan ser los pioneros.

El Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Estados Unidos trabaja desde hace un par de años en una nueva estrategia para el desarrollo de la Ciencia de la Información Cuántica (CIC). El informe, de 15 páginas, recomienda los objetivos que el gobierno de Donald Trump debe perseguir para desarrollar y fortalecer sus capacidades en la CIC.

El gobierno de Pekín está construyendo un nuevo Laboratorio Nacional de Ciencias de Información Cuántica en Hefei, en la provincia de Anhui, con un costo de US$10.000 millones, que esperan inaugurar en este 2020. También en Europa hay importantes laboratorios investigando sobre ello.

Las comunicaciones y la computación cuánticas aún están emergiendo, pero se encuentran entre los "megaproyectos" tecnológicos de los que el Gobierno de China espera avances importantes para 2030. Con este apoyo, el país espera convertirse en líder de la naciente era cuántica como hizo EE. UU. durante la era informática y la revolución de la información que siguió después. Pan, quien en 2011 se convirtió en el miembro más joven de la Academia China de Ciencias, es fundamental para que el Gobierno chino logre este objetivo. Tal es la magnitud con que el gigante asiático aborda esta temática que el presidente Xi Jinping llego a decir públicamente que la ciencia cuántica está iniciando una nueva revolución industrial.

Últimamente Europa también está haciendo grandes esfuerzos para desarrollar nuevas tecnologías, y para evitar la dependencia tecnológica de otros países como China y Estados Unidos, ejemplo de ello es el esfuerzo que está realizando una potencia también emergente como Rusia, a través de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Moscú, con un nuevo programa iPHD en materiales cuánticos. Todas esas tecnologías tendrán un impacto en la sociedad, en los viajes al espacio, luchar contra el cambio climático (reduciendo la pérdida de energía), y también en los servicios de inteligencia; como así también en materia de salud como se percibe en la actualidad en la lucha contra el Coronavirus, por eso son tan vitales.

Un claro ejemplo de las tecnologías cuánticas en la lucha contra el Covid-19, está utilizando métodos como la cristalografía de rayos X y la criomicroscopía electrónica, dos técnicas experimentales para estudiar y analizar los materiales, se han podido analizar las proteínas del coronavirus, llamadas SARS-CoV-2. Los átomos de estas proteínas se empujan e interaccionan constantemente entre sí.

Mediante una supercomputadora, se pueden llevar a cabo simulaciones digitales de las interacciones que se producen entre las proteínas, y así estudiar las diferentes formas que puede tomar la estructura de una proteína. De modo que, se podrían descubrir posibles medicamentos que se pudieran acoplar en las proteínas para anular su función, y así obtendríamos una nueva molécula para un posible fármaco. Por lo tanto, se podría diseñar una molécula contra el SARS-CoV-2, cuyo objetivo fuese una proteína de la superficie de dicho virus. Esta estrategia pretende evitar la adhesión y la invasión, por lo cual, se disminuiría el contagio por el virus en humanos. Este método, con simulaciones por ordenador, ya fue probado con éxito en una proteína del virus Ébola.

De momento, parece que la computación cuántica se va a limitar a empresas grandes que puedan aplicarla a problemas complejos y costosos computacionalmente, un poco de forma similar a los inicios de la computación clásica. Probablemente cada vez habrá ordenadores cuánticos más potentes, llegando a lo que Google decía sobre la supremacía cuántica a partir de la cual los ordenadores cuánticos podría resolver problemas para los que ni el supercomputador más grande tiene suficientes recursos.

Empresas como Google, Microsoft o IBM podrían usar los ordenadores cuánticos para entrenar de manera más eficiente sistemas de aprendizaje automático, o para fines científicos simulando proteínas o sistemas cuánticos. En cualquiera de los casos, serán avances que probablemente no notaremos mucho como usuarios más allá de los avances diarios aún.

En Estados Unidos, empresas como IBM, Google y Microsoft están desarrollando sus propias computadoras cuánticas, lo mismo está ocurriendo en China, donde están participando empresas privadas como Alibaba y Baidu, en la creación de ordenadores cuánticos.

En lo que respecta a lo estrictamente técnico, la unidad fundamental de información en computación cuántica es el quantum bit o qubit. Los qubits son, por definición, sistemas cuánticos de dos niveles, que pueden estar en el nivel bajo, que se corresponde con un estado de baja excitación o energía definido como 0, o en el nivel alto, que se corresponde con un estado de mayor excitación o definido como 1, pero -y aquí radica la diferencia fundamental con la computación clásica- también pueden estar en cualquiera de los infinitos estados intermedios, como por ejemplo un estado que sea mitad 0 y mitad 1, o tres cuartos de 0 y un cuarto de 1. Este fenómeno se conoce como superposición cuántica y es natural en sistemas cuánticos.

Aun así, el campo tiene una evolución prometedora. En 1998 se presentó el primer ordenador cuántico (sólo dos qubits, y necesitaba una máquina de resonancia magnética nuclear para resolver un problema "de juguete" (el llamado problema de Deutsch-Jozsa). En 2001 se ejecutó por primera vez el algoritmo de Shor. Sólo 6 años más tarde, en 2007, D-Wave presentaba su primer ordenador capaz de ejecutar el temple cuántico con 16 qubits. Este año, la misma compañía anunciaba un ordenador de temple cuántico de 2000 qubits (2019). Sin embargo, a la vez Google hacia al mismo tiempo que había alcanzado la supremacía cuántica (termino cuestionado por IBM) es decir una maquina cuántica que supera a cualquier supercomputadora. El sistema ejecuto en 200 segundos una tarea, según expresiones de la compañía, que a la computadora más rápida del mundo (SUMMIT) le hubiese llevado 10.000 años.

Apenas anunciado lo de Google, China no quedo atrás y anuncio a la comunidad mundial haber obtenido en materia de comunicación cuántica la total invulnerabilidad de sus comunicaciones. La distancia en este contexto es fundamental porque para poner a punto una red de comunicaciones cuántica global, que es el objetivo final al que todas las potencias aspiran, es necesario que esta tecnología funcione perfectamente en distancias muy largas.

En fin, los expertos creen la lucha por la supremacía en la Tecnologías Cuánticas aplicadas en la Ciberseguridad, en la Inteligencia Artificial, en el Blockchain, la impresión 3D, en el 5G, en los Drones, etc. permitirá avances impensables hoy en día. Algunos de ellos en la industria de la información y aprendizaje automático, que harán posible desarrollar sistemas de cifrado mucho más seguros que los actuales. Muy útil, por ejemplo, para el sector bancario y el ejército.

También prevén que permita la creación de algoritmos de inteligencia artificial más avanzados.

Y se esperan además avances en el campo de la ciencia y la medicina, encontrando métodos de tratamiento óptimos según el paciente o estudiando estructuras de moléculas complejas. Con todas estas potenciales aplicaciones, quien consiga la máquina cuántica que logre desbancar a la computadora convencional parece tener ante sí un gran abanico de posibilidades de negocio.

Por ello es un deber ineludible repensar estratégicamente el impacto de todas estas tecnologías que cada vez más parecen alejarse de nuestra realidad como región, como país, en nuestra vida cotidiana y principalmente en nuestra esencia como seres humanos. La vulnerabilidad, la desigualdad tecnológica, la desinversión, la falta de integración y la tibia innovación para unos pocos, hacen que cada día que pase, sea un tiempo irrecuperable en esta carrera desigual a que estamos sometidos que pareciera conducirnos a un continente global desconocido.

Fuentes consultadas: