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La vida después del Covid en un mundo cuántico

 La física cuántica ya cambió nuestras vidas hace más de 60 años con la invención del láser y el transistor. Hoy, con una segunda revolución cuántica a la vista, la ciencia promete un futuro radicalmente diferente del mundo que conocemos hoy. Marko Erman, director científico de Thales, nos ofrece una vista previa de la vida en un mundo cuántico.

Marko Erman, Director científico de Thales, nos ofrece una vista previa de la vida en un mundo cuántico.

 

¿Cómo ves el mundo post-Covid del que todos hablan?

 

Sería prematuro y un poco presuntuoso por mi parte tratar de describir cómo será el mundo una vez que termine esta crisis de salud pública, económica y social sin precedentes. Pero tengo algunas ideas sobre el tema. Por ejemplo, creo que la crisis ha dejado una profunda impresión en la apreciación de la sociedad de los principales desafíos que se avecinan, con la salud, la educación, el medio ambiente y la seguridad en el primer puesto de la lista.

© Doutre/Abaca Press ©THALES

Estas preocupaciones forman parte en gran medida de los planes de estímulo nacionales y europeos que se están poniendo en marcha para sacar a nuestras economías de la crisis. En Francia, por ejemplo, el gobierno anunció el cuarto programa de Inversiones para el futuro (PIA 4) a principios de este año. Y las prioridades de este plan incluyen las tecnologías digitales, por supuesto, pero también la investigación médica, la atención médica, las ciudades del futuro, el cambio climático y la educación digital, sin mencionar la innovación y las tecnologías verdes, que representan un tercio de este último PIA. programa.

Hemos visto cómo las tecnologías digitales han hecho que la sociedad sea más resistente a una pandemia y cómo contribuyen a hacer frente a las consecuencias para la salud pública, la economía y la sociedad en general. Ya sea que trabajemos desde casa o hagamos más cosas on line, las transacciones remotas literalmente se han disparado.

Y el ciberdelito también se ha disparado ...

Lo que demuestra la importancia de la ciberseguridad si queremos aprovechar los beneficios de lo digital sin vivir con miedo a los peligros que implica. También habla de la necesidad de encontrar nuevas formas de proteger a nuestras sociedades de estos nuevos riesgos y peligros y de explorar nuevas tecnologías disruptivas que nos ayudarán a superar los principales desafíos que mencioné anteriormente.

Una de estas tecnologías disruptivas es la física cuántica, que está atrayendo mucha atención en este momento ...

Así es. El uso de las propiedades cuánticas de los materiales abre innumerables oportunidades nuevas en áreas tan variadas como la fabricación, la movilidad, la defensa, la salud y el medio ambiente. Prácticamente no hay límite para la creatividad de las personas cuando se trata de imaginar nuevas aplicaciones de tecnologías cuánticas.

Más concretamente, ¿qué mercados se verán afectados por esta nueva revolución cuántica a corto y medio plazo?

Esta segunda revolución cuántica afectará principalmente a sensores, comunicaciones y ordenadores. Las computadoras cuánticas serán capaces de resolver problemas de optimización y simulación de procesos que cualquier ordenador convencional, actual o futuro, tardaría miles o millones de años en lograr.

Uno de los mercados que se verá afectado con relativa rapidez será el de la sanidad. Las vacunas de ARN mensajero han demostrado el poder de la tecnología profunda para permitir a los científicos trabajar a nivel celular o molecular. Y esto es solo el comienzo: el tratamiento del cáncer y el tratamiento de muchas otras enfermedades podrían transformarse profundamente con la tecnología cuántica. Pero antes de eso, es necesario observar, comprender y modelar el mundo molecular y celular. Los ordenadores cuánticos podrán construir modelos de moléculas complejas compuestas por miles de átomos, como proteínas y otra materia viva. Y para hacer eso, vamos a necesitar nuevas técnicas de procesamiento "dirigidas" con precisión.

Además, los sensores cuánticos podrían conducir a nuevas técnicas de imágenes médicas, como las imágenes de resonancia magnética que conocemos hoy, pero suficientemente dirigidas para proporcionar información a escala celular y molecular.

El sistema de detección de RF de los sensores cuánticos también podría abrir nuevas y emocionantes posibilidades en neurociencia, permitiéndonos observar el cerebro en tiempo real y con una resolución espacial mucho más allá de las capacidades actuales. Dado que las enfermedades degenerativas están destruyendo la vida de un número creciente de personas, es más importante que nunca comprender exactamente cómo funciona el cerebro y garantizar la detección temprana de anomalías, lesiones y trastornos cognitivos, pero también medir con precisión los efectos de los tratamientos y cómo  actuan. Los sensores cuánticos podrían desempeñar un papel importante para hacer frente a este gran desafío.

 

También mencionaste el medio ambiente. ¿Cómo puede la física cuántica ayudar a abordar la alteración del clima?

Toda tecnología tiene un impacto tanto directo como indirecto en la huella de carbono de la actividad humana. El impacto directo de una tecnología puede ser aumentar esta huella de carbono al consumir electricidad, mientras que el impacto indirecto puede reducir la huella al hacer que un sistema sea más eficiente energéticamente. Para decidir si una tecnología es beneficiosa para el medio ambiente, debe tener en cuenta tanto las ventajas como las desventajas.

© 123RF

En la mayoría de los casos, un sistema cuántico consume mucha menos electricidad que un sistema equivalente basado en tecnología convencional.

Un ordenador cuántico, por ejemplo, necesitará un criostato muy frío (cercano al cero absoluto) para una unidad que mida unos pocos metros cúbicos, pero su consumo de electricidad se medirá en kilovatios hora. Ningun superodenador convencional tendrá nunca la misma potencia de cálculo, y el consumo de electricidad de los ordenadores de alto rendimiento actuales se mide en megavatios hora porque necesitan muchos procesadores, varios miles en algunos casos.

En cuanto a los sensores cuánticos, estarán muy miniaturizados, pero en el caso de los sensores de RF, también serán de banda extremadamente ancha. Cubrir el mismo espectro de longitudes de onda con tecnología convencional requeriría una gran cantidad de sensores, algunos de los cuales son miles de veces más grandes que sus equivalentes cuánticos. Entonces, también en este caso, las tecnologías cuánticas son las claras ganadoras en lo que respecta al uso de energía.

Y cuando observa los impactos indirectos, las tecnologías cuánticas vuelven a destacar.

Al optimizar los sistemas utilizados en la gestión del tráfico aéreo, distribución de energía, recogida y procesamiento de residuos, gestión de recursos naturales, etc., las computadoras cuánticas reducirán su huella de carbono. Las computadoras actuaales no pueden resolver la mayoría de estos problemas de optimización cuando están involucradas más de unas pocas variables.

Las computadoras cuánticas también podrían usarse para diseñar nuevos materiales con propiedades optimizadas para el aislamiento térmico, por ejemplo, o para diseñar piezas que sean significativamente más ligeras que las actuales pero que tengan el mismo rendimiento mecánico.

Los sensores como los gravímetros cuánticos1 ofrecerán aumentos de sensibilidad de un orden de magnitud en comparación con los instrumentos existentes, lo que permitirá observar la Tierra con una granularidad extremadamente alta y comprender los cambios que se están produciendo.

Además de la computación cuántica y los sensores cuánticos, mencionó las comunicaciones cuánticas ...

Las tecnologías cuánticas llevarán la seguridad de las comunicaciones a un nivel completamente nuevo. Una clave cuántica (es decir, una serie de qubits2 cuyos estados cuánticos constituyen el código) no se puede romper debido a la inviolabilidad de las leyes de la mecánica cuántica: cuando se lee (decodifica) la clave se destruye, por lo que cualquier intrusión se descubre inmediatamente.

Los principios que están detrás de las comunicaciones cuánticas se demostraron hace más de una década. Pero eso fue para comunicaciones punto a punto y las distancias fueron limitadas debido a la absorción por las fibras ópticas. Impulsar la señal con repetidores (o amplificadores) ópticos convencionales habría alterado su naturaleza cuántica, destruyendo el código. En términos prácticos, eso significaba que la información solo podía enviarse a una distancia de entre 50 y 150 km.

© 123RF

Hoy en día, se están realizando esfuerzos para demostrar la viabilidad de redes cuánticas tan grandes como el continente de Europa. Para superar las limitaciones de los fotones absorbidos por la fibra óptica, la idea es distribuir las claves cuánticas por satélite a redes cuánticas metropolitanas con suficientes fibras adecuadas para conectar un gran número de usuarios en un radio de más de 100 km.

En Europa, varios consorcios están trabajando en este tipo de redes de comunicaciones, con Thales y Thales Alenia Space como miembros principales y con el apoyo de la ESA, Horizon Europe y los Estados miembros.

En la búsqueda de redes de comunicaciones ultraseguras, y con los crecientes peligros del ciberdelito que hacen que ese objetivo sea cada vez más importante, la criptografía cuántica es una vía que debe explorarse a fondo para proteger la información vital de gobiernos, instituciones, empresas e individuos.

¿Es una cuestión de soberanía?

Absolutamente. Esa es la razon por la que Estados Unidos y China compiten tan ferozmente para dominar estas tecnologías.

¿Qué pasa con Europa?

Europa tiene capacidades científicas, académicas e industriales de primer nivel en este campo y puede jugar bien partida si decide que la criptografía cuántica es una prioridad estratégica y realiza las inversiones necesarias. Tengo grandes esperanzas de que la crisis de Covid también haya servido para crear conciencia sobre la física cuántica como una forma importante de construir un futuro en el que todos podamos confiar.

1 Gravímetro: instrumento utilizado para medir la aceleración gravitacional.

2 IEn la lógica binaria de los ordenadores convencionales, la información se codifica como 0 y 1 (bits). En el mundo cuántico, la unidad básica de información es un qubit, que puede ser 0 y 1 al mismo tiempo.