La revista CSIC INVESTIGA aborda la revolución tecnológica de la física cuántica

La revista CSIC INVESTIGA aborda en su número 10 algunas de las investigaciones más destacadas de la institución, organismo adscrito al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, en el área de la física cuántica, una disciplina disruptiva que estudia la materia al nivel más microscópico y que augura una revolución tecnológica, con aplicaciones que podrían ir desde la optimización de procesos industriales y bancarios, el refuerzo de la seguridad en las comunicaciones y el aumento de la precisión en las mediciones, hasta el desarrollo de nuevos materiales y fármacos.

Las líneas de investigación del CSIC en cuántica abarcan desde el software hasta el hardware.  Sus equipos científicos investigan los procesadores cuánticos atómicos, los basados en moléculas magnéticas y los que combinan semiconductores y superconductores; tratan las aplicaciones en criptografía y en metrología (sensores de medición), y abrazan hasta la colaboración en el proyecto Quantum Spain, que ha logrado el primer ordenador cuántico de acceso público en España, y que se conectará al computador MareNostrum 5 del BSC, uno de los más potentes de Europa.

“La física cuántica despierta fascinación y desconcierto por igual desde que se estableció a principios del siglo XX para describir el comportamiento de la materia a escala microscópica”, escribe el investigador Diego Porras, del Instituto de Física Fundamental (IFF-CSIC), en el editorial de la revista. “Algunos principios cuánticos desafían nuestra intuición cotidiana, como el hecho de que una partícula pueda estar en una superposición de ubicaciones espaciales o que la luz esté cuantizada en paquetes de energía, conocidos como fotones”, añade.

“Aunque la física cuántica a menudo se presenta con un halo de misterio, lo cierto es que es la teoría física confirmada con mayor precisión y forma la base de aplicaciones de uso diario como la electrónica o los láseres”, sostiene Porras.

“Este número de CSIC Investiga ofrece una visión de la física cuántica y sus aplicaciones, a través de científicos que se enfrentan a sus desafíos. Algunos de estos retos involucran la construcción y el control de hardware cuántico. En el caso de los ordenadores cuánticos, el hito más deseado es alcanzar la ventaja cuántica, es decir, lograr un rendimiento que supere al de la computación clásica en un problema práctico. Pero también hay desafíos en el ámbito del software cuántico, por ejemplo, en el desarrollo de algoritmos de optimización, de aprendizaje automático o de química cuántica”, desgrana Porras.

Computación

“La computación cuántica es una nueva forma de procesar la información”, sostiene la física Roberta Zambrini, del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC, CSIC-Universitat de les Illes Balears). Esta nueva forma de computación podría ofrecer aplicaciones para resolver problemas de física fundamental que no es posible solucionar con los ordenadores clásicos, y también para la mejora de procesos de fabricación y en las finanzas, y para la obtención de materiales con propiedades optimizadas y fármacos novedosos. Zambrini también explica cómo el proyecto Quantum Spain ha dinamizado el ecosistema cuántico español y ha logrado el primer ordenador cuántico de acceso público del país, instalado en Barcelona.

Para lograr el hardware de este salto tecnológico, diversos equipos del CSIC trabajan en líneas de vanguardia. En el Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología (CINN, CSIC-Universidad de Oviedo-Principado de Asturias), un equipo desarrolla nuevos prototipos para la computación cuántica manipulando átomos individualmente. “Los procesadores cuánticos atómicos usan los estados internos de átomos individuales para codificar y procesar información cuántica”, explica el investigador Daniel Barredo, del CINN.

El prototipo de procesador cuántico del CINN está basado en átomos de Rydberg, átomos excitados con uno o varios electrones. Este proyecto tiene como objetivo contribuir al avance en la simulación y la computación cuántica. “No hay una máquina plenamente funcional ahora mismo en España con esa tecnología. Nuestro proyecto busca formar una nueva generación de investigadores, técnicos y usuarios especializados en esta tecnología, aún incipiente en España”, destaca el científico del CINN.

En el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) investigan en cúbits (la unidad básica de la computación cuántica) basados en híbridos semiconductor-superconductor que prometen mayor robustez y escalabilidad. En otra línea innovadora, una colaboración entre el ICMM y el Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) se adentra en el estudio de los prometedores materiales cuánticos, que presentan propiedades con amplias funcionalidades para futuras tecnologías cuánticas, como cúbits topológicos para ordenadores cuánticos o sensores.

“Sin embargo, no debemos olvidar que la computación cuántica aún es una tecnología no consolidada que pertenece al ámbito de la investigación”, advierte Juan José García Ripoll, investigador del IFF-CSIC y coordinador de la plataforma de Tecnologías Cuánticas del CSIC, en las páginas de la revista. “Sobre todo es importante no perder la perspectiva y reconocer que la computación cuántica es solo una más de las oportunidades que ofrece la segunda revolución cuántica, siendo otros campos, como la criptografía cuántica, el sensado cuántico y la metrología cuántica ámbitos que tendrán un impacto más inmediato en nuestras vidas en el corto plazo”.

Criptografía

La física cuántica promete reforzar la seguridad de las comunicaciones. Un equipo del Instituto de Microelectrónica de Sevilla (IMSE-CSIC) trabaja en un proyecto pionero que combina fotónica, algoritmos e identidades digitales robustas para construir sistemas de comunicación cuántica seguros y escalables. En el Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información Leonardo Torres Quevedo (ITEFI-CSIC), un equipo aplica la física cuántica para robustecer las claves de las comunicaciones, tanto a través de la fibra óptica como de la atmósfera, y en las transmisiones entre la Tierra y los satélites

Metrología

La metrología es la ciencia de la medición, que estudia las unidades, los métodos y los patrones de medida, lo que resulta fundamental para la investigación científica. Y la física cuántica puede aportar a la metrología una capacidad de precisión sin precedentes. Un equipo del Centro de Física de Materiales (CFM) investiga la interacción de la luz cuántica con las nanopartículas para desarrollar sensores ultraprecisos capaces de medir encefalogramas y de que los aviones naveguen sin necesidad de sistemas externos como el GPS o el GSM. En otra línea de investigación, el equipo de metrología cuántica del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) explora nuevas formas de medir el tiempo y el campo electromagnético con niveles de sensibilidad inéditos.

Dispositivos

Entre los circuitos cuánticos que están más cerca de las aplicaciones prácticas se encuentran los cúbits superconductores que desarrollan en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC). “Son muy versátiles, tanto en fabricación como en usos comerciales”, sostiene Gemma Rius, física del IMB experta en el área. En el mismo centro barcelonés, un equipo desarrolla cúbits basados en semiconductores para permitir su futura producción aprovechando los procesos de fabricación de la industria microelectrónica, y otro equipo asociado con la empresa VLC Photonics desarrolla una tecnología con nitruro de silicio que podría servir para fabricar circuitos integrados fotónico-cuánticos a escala en el futuro

Divulgación

Los físicos Alberto Casas y Carlos Sabín, autores de diversos libros de divulgación sobre la física cuántica, explican en las páginas de divulgación algunas ideas fundamentales y deshacen algunos mitos sobre la física cuántica, “una teoría que, 100 años después, está más vigente que nunca y sigue en plena forma”, según Casas, y que se debe despojar de cualquier aire “misterioso o sobrenatural”, según Sabín. Casas vaticina un futuro prometedor para la investigación básica en física cuántica que se desarrolla hoy: “La “segunda revolución cuántica” está en pleno desarrollo, no tiene aún aplicaciones prácticas para el día a día. Se trata de la computación cuántica, la criptografía cuántica y los sensores cuánticos, que prometen resultados fabulosos.”

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