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La física cuántica cambiará nuestras vidas.
Internet invade nuestro entorno. Ordenadores, teléfonos, relojes. En las próximas décadas, la interconexión llegará también a nuestras casas. A los vehículos. A la ropa, incluso. Habrá coches que conduzcan solos. Neveras inteligentes que hagan la compra por nosotros. Sensores en camisetas que monitoricen nuestra salud en todo momento. Nuestro hogar sabrá cuándo debe encender y apagar la calefacción para mantenernos confortables o cuándo llamar al médico si estamos enfermos.
Pero todas las conexiones entrañan riesgos. La información es un tesoro valioso y hay quien se especializa en robarla, los hackers . Las empresas que gestionan datos invierten una gran cantidad de esfuerzos y recursos en blindarlos, en una carrera constante contra estos piratas del siglo XXI.
“Hoy en día hay sistemas muy seguros que hacen difícil espiar las comunicaciones, pero no imposible”, declara Lluís Torner, director del Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) en Castelldefels. Ningún dato digital está seguro al 100%, ni mensajes personales, ni historiales médicos, ni información de defensa o de transacciones comerciales. Y a medida que se expanden las conexiones, crece también el riesgo.
“Si la información no está segura, es un desastre. No podremos usar toda la tecnología que viene”, explica Carlos Abellán, cofundador y director ejecutivo de la emprea Quside.
Pero, ¿y si alguien inventara una forma de transmitir la información de un modo totalmente seguro, a prueba de cualquier hacker?
Esa es precisamente la promesa de las comunicaciones cuánticas, una tecnología en desarrollo que puede garantizar la confidencialidad no por el blindaje de protocolos y algoritmos, sino por las propias leyes de la física.
Este tipo de comunicaciones se está desarrollando en la llamada segunda revolución cuántica. Después de que en la primera se aprovecharan las leyes de la mecánica cuántica para desarrollar nuevas tecnologías, ahora se aspira a utilizar directamente los elementos cuánticos, como los átomos o los fotones, para ir más allá, pues su comportamiento es radicalmente diferente del de la materia a mayor escala.
En el mundo cuántico, por ejemplo, una partícula puede estar en dos estados simultáneamente mientras nadie la observa, pero, si alguien intenta detectarla, se decantará por uno de los dos. Es lo que se conoce como superposición cuántica. Sería como si tirásemos una moneda al aire con los ojos cerrados. Mientras no veamos qué resultado ha salido, puede ser tanto cara como cruz, con un 50% de probabilidad para cada opción: la moneda tendría dos estados superpuestos. En cuanto miremos, sabremos si hemos sacado cara o cruz, por lo que la probabilidad cambiará.
Otra propiedad extraña es el entrelazamiento cuántico. Dos partículas pueden estar vinculadas de forma que comparten el mismo estado a pesar de que las separen kilómetros de distancia. “Sería como si yo estuviera en Castelldefels y tú aquí, en Barcelona, que los dos tirásemos una moneda distinta al aire y siempre tuviéramos el mismo resultado. Si yo saco cara, tú también. Y si me sale cruz, a ti igual”, ilustra Hugues de Riedmatten, investigador Icrea en el ICFO.
“La verdad es que no sabemos por qué el Universo se comporta así. Pero podemos aprovecharlo”, afirma Carlos Abellán. Según los expertos, a medio plazo el de las comunicaciones será el campo que más se beneficie de las tecnologías cuánticas.
La ciberseguridad actual se basa en encriptar los datos a través de dos factores. En primer lugar, hay que crear un cerrojo que proteja la información, en forma de algoritmo. El problema es que todos los algoritmos se construyen siguiendo secuencias lógicas y, por lo tanto, a través de la lógica se pueden llegar a desarrollar llaves que abran esos cerrojos con relativa facilidad. Para evitarlo, se elaboran candados que se pueden abrir sólo con llaves creadas aleatoriamente, es decir, claves de números generados al azar, con lo que la lógica ya no basta para forzarlos.
Pero hay un segundo problema: los receptores de los mensajes encriptados tienen que poder descifrarlos. Por eso, también hay que enviar las llaves que permiten desencriptarlos. Y, si alguien intercepta esta llave sin dejar rastro, la seguridad se esfuma.
Ahí es donde entran las tecnologías cuánticas. El objetivo es crear un canal de comunicación basado en bits cuánticos para distribuir las llaves. Es decir, partículas como átomos o fotones que tienen dos estados superpuestos, que comparten a distancia con otras partículas, explica Valerio Pruneri, investigador Icrea en el ICFO. Gracias al entrelazamiento y a la superposición de los bits cuánticos, es posible enviar llaves de modo que, si alguien intenta hacerse con ellas, tanto el receptor como el emisor del mensaje se den cuenta de que los están espiando. “Si alguien intenta escuchar a escondidas, cambia el estado de los bits cuánticos y las dos partes lo saben”, señala Pruneri. Así, al descubrir que les han robado la clave, pueden interrumpir la comunicación y generar un nuevo cerrojo.
Pruneri lidera el proyecto CiViQ, con la meta de desarrollar esta tecnología para que se pueda aplicar a gran escala. Se enmarca dentro del programa europeo Quantum Flagship, que se presentó al público del Mobile World Congress, celebrado en Barcelona entre el 25 y el 28 de febrero, y que junto con el Human Brain Project y el Graphene Flagship es uno de los proyectos de investigación más ambiciosos de Europa, con una inversión de mil millones de euros.
La idea no es transmitir cuánticamente toda la información encriptada, sino sólo las llaves para desencriptarla. “El principal reto es sacar la tecnología cuántica del laboratorio, aplicarla al mundo real y comprobar que se puede integrar con las redes clásicas a un coste asumible”, declara Valerio Pruneri. “Las redes de comunicaciones son muy agresivas con los elementos cuánticos”, explica Vicente Martín, catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y director del Centro de Simulación Computacional (CCS), que también participa en CiViQ en estrecha colaboración con Telefónica. “Una señal clásica de fibra óptica tiene unos 100 millones de fotones”, mientras que una señal cuántica está codificada por un único fotón. “Es muy difícil compatibilizar las comunicaciones clásicas con las cuánticas”, subraya Martín. El proyecto CiViQ dispone de casi 10 millones de euros para perseguir ese objetivo.
En España, en CiViQ participan también dos start-ups, VLC Photonics, surgida de la Universitat Politècnica de València (UPV), y Quside, que nació de un proyecto del ICFO. Quside ha creado el primer chip integrado para generar claves de encriptación a partir de principios cuánticos. “Los números aleatorios actuales usados en encriptación en realidad no son aleatorios, ya que nacen de algoritmos”, declara Carlos Abellán. Eso constituye otro punto débil, porque una máquina suficientemente potente, o un ordenador cuántico, podría llegar a descifrarlos. “La cuántica es la única manera de generar aleatoriedad real”. Según Abellán, el chip de Quside se empezará a aplicar en los próximos años en centros de datos, coches autónomos y en otros dispositivos conectados al internet de las cosas.
“Ya somos capaces de establecer comunicaciones seguras de un punto a otro separados por una distancia de unos 400 kilómetros”, destaca Pruneri.
“A largo plazo, el objetivo es que cualquier punto del mundo se pueda conectar de forma segura con cualquier otro punto, utilizando satélites combinados con cables de fibra óptica y repetidores cuánticos, que se están desarrollando y permitirán distribuir el entrelazamiento a distancias más largas”.
El internet de Schrödinger
Superpuestos y entrelazados. La física cuántica ha abierto nuevas puertas en computación: la superposición y el entrelazamiento se pueden aplicar para crear ordenadores capaces de resolver problemas que quedan fuera del alcance de la computación convencional. Se trata de almacenar bits no en las clásicas placas y discos duros, sino en partículas cuánticas. En lugar de tener dos estados excluyentes como los bits convencionales (0 y 1), los bits cuánticos, o cúbits, pueden estar en dos estados solapados: 0 y 1 a la vez, lo que multiplica las posibilidades .
La limitación principal. Los ordenadores cuánticos tienen un punto débil. “El número de bits cuánticos está muy limitado porque son muy difíciles de controlar”, señala Hugues de Riedmatten, del ICFO. El récord actual en computación cuántica está en los 50 cúbits y “por el momento no hay ningún ordenador cuántico que haya hecho una tarea mejor que uno clásico”.
Redes de ordenadores. Pero hay una forma de sortear esa limitación: el internet cuántico. Los físicos se han propuesto desarrollar una red de ordenadores cuánticos conectada a través del entrelazamiento de sus cúbits. Así, al sumar las capacidades de las distintas máquinas, la potencia total del sistema aumentará exponencialmente, según de Riedmatten, que participa en el proyecto QIA del Quantum Flagship para perseguir ese objetivo. El internet cuántico también puede ayudar a incrementar las distancias de las comunicaciones cuánticas y mejorar su seguridad.
Nuevas posibilidades. Pero “lo más importante es que con la computación cuántica se podrán hacer cosas que un ordenador clásico no puede hacer”, afirma de Riedmatten. Los ordenadores cuánticos permitirían estudiar el comportamiento de la materia a una escala hoy imposible. Por ejemplo, un simulador cuántico podría servir para estudiar cómo las proteínas se pliegan de distintas formas, un proceso clave en enfermedades como el alzheimer o el parkinson. O ayudar a desarrollar nuevos fármacos o materiales con propiedades físicas inusuales y que a día de hoy no se comprenden del todo, como algunos tipos de superconductores. Según de Riedmatten, es difícil predecir cuándo la computación cuántica será una realidad, pero “será un cambio de paradigma”.
