La aplicación de la física cuántica se ha orientado esencialmente en dos direcciones: las comunicaciones no-hackeables y la realización de cálculos para resiolver problemas que no están al alcance los computadores tradicionales, gracias a su velocidad de proceso. En ambos ámbitos se han realizado prgresos considerables en los últimos veinte años. Estamos en los albores de una nueva era de computación y comunicaciones.
Comunicación
¿En qué se basa este tipo de comunicación? Según el principio del entrelazamiento cuántico, si se cambia las propiedades de una de las partículas enlazadas, la otra cambiará de forma instantánea de la misma manera, a cualquier distancia. El principal problema es la decoherencia, que significa que se pierde el entrelazamiento, lo cual ocurre por la interferencia del entorno (y, en particular, la temperatura externa). Protegerse de ella es crucial y depende de la calidad de los cúbits del procesador cuántico y de la aislación del medio portador en el caso de la comunicación.
La comunicación cuántica se basa en la criptografía, codificando un mensaje con claves generadas en un computador cuántico. La clave reside en una cadena de ceros y unos que se basa en los estados de partículas cuánticas como los fotones. Se puede enviar en una fibra óptica o un rayo portador. Si un hacker intenta espiarla mientras está siendo transferida, su estado cuántico "colapsa", volviendo el mensaje ilegible. Normalmente, solo se transmite de este modo la clave para descifrar el mensaje (que puede ser extremadamente compleja), mientras éste se transmite luego de forma ordinaria después de que emisor y receptor verifican que tienen la misma clave (implica calcular si la tasa de error es lo suficientemente alta para asegurar la ausencia de interferencia - natural o causada por un hacker-).
China es el primer país del mundos en contar con una red de comunicación cuántica. Con más de 700 fibras ópticas puede distribuir claves cuánticas por 4.600 kilómetros, desde la ciudad de Xinlong a Shanghai, pero a través de repetidores (Infobae, 28/03/2021). Recientemente ha logrado establecer un nuevo récord mundial con una comunicación cuántica segura y directa de 102 km, aunque con solo 0,54 bits por segundo. Ésto promete comunicaciones imposible de hackear. El anterior récord era de tan solo 18 km. Pero a 30 km de distancia es posible transmitir a 22,4 kbps (Xataka, 19/04). También ha logrado enviar bits cuánticos a un satélite en órbita terrestre.
Suiza en algunas elecciones mandó toda la información de los resultados de las elecciones por una red cuántica en su red de fibra óptica (Infobae, 28/03/2021). Madrid también tiene ya una red de comunicación cuántica, denominada MadQCI (Madrid Quantum Communication Infraestructure), con 16 dispositivos (Agencia SINC, 29/03/2021). En los Estados Unidos, una start-up llamada Quantum Xchange ha llegado a un acuerdo que le da acceso a más de 800 kilómetros de fibra óptica para crear una red QKD (red de distribución de claves cuánticas) (Technology Review, 27/02/2019).
Computadores
Los computadores cuánticos utilizan cúbits (chips que operan con partículas cuánticas) para realizar sus operaciones. Los prototipos más avanzados integran actualmente poco más de cien cúbits, pero para algunos problemas específicos se necesitan al menos 100 000 cúbits, y para problemas simbólicos necesitamos varios millones.
Un serio problema de los procesadores cuánticos es que tienden a cometer errores, lo cual obliga a aplicar un protocolo cuántico de corrección de errores. Al día de hoy, tres grupos de investigadores han conseguido poner a punto cúbits superconductores que tienen una precisión superior al 99%, es decir que cometen muy pocos errores (Xataka, 3/02/2022).
Hasta ahora, para evitar que las perturbaciones introducidas por la energía térmica alteren el estado cuántico de los cúbits, es necesario introducir el ordenador cuántico y el sistema de refrigeración en una cámara de vacío. Pero la empresa australiana Quantum Brilliance ha conseguido desarrollar cúbits capaces de trabajar correctamente a una temperatura en la órbita de los 20 ºC (Xataka, 28/09/2021).
En noviembre de 2021, IBM anunció que había alcanzado la supremacía cuántica (después de Google y de los chinos que la consiguieron en 2019). IBM utilizó un procesador cuántico, el Eagle, de 127 cúbits. La supremacía cuántica consiste en resolver en un plazo de tiempo breve, de unos minutos o unas pocas horas, un problema en el que un superordenador clásico invertiría muchos años. Planea tener listo un chip de 433 cúbits en 2022 y un de 1121 cúbits en 2023 (Xataka, 17/11/2021).
Intel ya produce cúbits de silicio en sus fábricas de chips convencionales utilizando los mismos equipos fotolitográficos y las mismas tecnologías que está empleando para producir chips CMOS convencionales. Los nuevos chips miden de 300 mm de diámetro y contienen cada uno 82 celdas o núcleos, y en conjunto todos ellos aglutinan más de 10.000 puntos cuánticos, que son los que reemplazan los transistores de los chips convencionales. El 95% de los núcleos integrados en cada oblea son funcionales (Xataka, 18/04/2022).
Ésto facilitará que logre su objetivo la empresa australiana Quantum Brilliance, que planea lanzar en 2025 un acelerador cuántico de 50 cúbits con el tamaño de una tarjeta gráfica que podrá ser instalado en el interior de un PC. (Xataka)
¡Al fin, los computadores cuánticos de sobremesa serán posibles! Y también las comunicaciones interpersonales. Con todos estos avances (y los próximos), podríamos contar con una internet cuántica tal vez dentro de 15 o 20 años.
