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La supremacía cuántica

Max Planck inventó la teoría cuántica en 1900 para responder a la pregunta: ¿Cuál es la naturaleza de la luz emitida por una llama o cualquier otro cuerpo caliente? Sabía que la luz era una onda electromagnética generada por partículas cargadas eléctricamente, como los electrones, pero los cálculos que usaban para aplicar esta teoría contradecían los resultados del laboratorio del espectro de luz generado por objetos calientes. Probó que la luz es emitida por medio de energías cuánticas, múltiplos exactos de cierta cantidad mínima o cuanto. A esto lo llamó un acto de desesperación, pero reproducía el espectro correcto de luz de un cuerpo caliente y eso le valió el Premio Nobel en 1918. Después, Albert Einstein y Niels Bohr extendieron esta idea. Einstein mostró que la luz viene en discretos paquetes de energía, luego llamados fotones; y Bohr planteó que los electrones en un átomo absorben o emiten fotones al tiempo que brincan entre niveles de energía cuántica.

Einstein no creía que la naturaleza fuera azarosa: Dios no juega a los dados con el universo, pero en teoría cuántica no parece ser el caso. Esta es la idea innovadora detrás del bit cuántico: 2 bits ordinarios representan sólo 1 de los números decimales 0, 1, 2, 3… pero 2 qubits representan los 4 números al mismo tiempo. La ventaja crece rápidamente, de tal forma que 20 qubits cargan 20 millones más de veces la información que 20 bits. Se estimó que una computadora cuántica que usase 150 o 300 qubits tendría el poder de todas las supercomputadoras convencionales del mundo juntas. El entrelazado de los fotones se demostró en laboratorio en 1982. Las últimas mediciones muestran que opera en distancias de hasta 144 km. de espacio vacío y que cualquier información transmitida entre los fotones viaja 10.000 veces más deprisa que la luz y, quizá, de manera instantánea. Esto contraviene los resultados de la relatividad de Einstein, que aseguran que nada puede viajar más rápido que la luz.

El campo de la ciencia cuántica proporcionará numerosas aplicaciones al campo de la Defensa. Entre ellas destacamos Quantum Key Distribution (QKD), criptoanálisis y sensores cuánticos. Las aplicaciones QKD permitirán asegurar las comunicaciones propias mientras que la capacidad de criptoanálisis permitirá acceder a cualquier información encriptada del adversario. Los sensores cuánticos permitirán desmontar toda la tecnología stealth que opera en las plataformas y sistemas de última generación. La computación cuántica abrirá en el futuro capacidades que hoy parecen imposibles en cuanto a la capacidad de procesamiento y miniaturización, que serán la base de los sistemas y agentes autónomos del futuro. La forma más común de encriptación cuántica es la transmisión de claves criptográficas usando una superposición de fotones durante el inicio de las sesiones de comunicaciones seguras. En cuanto a la ruptura de códigos seguros, el US Grade Military Standard de encriptación avanzada de 256 bits requeriría millones de años para ser desencriptada. La computación cuántica permitirá con un sistema de ensayo y error reducir el proceso a apenas unos minutos.

Estados Unidos publicó en septiembre de 2018 su National Strategic Overview for Quantum Information Science, declarando que el uso de estas tecnologías permitirá disponer de una clara superioridad militar, desconocida desde la democratización de la bomba atómica. Washington ha financiado proyectos por 200 millones de dólares para investigación en el campo cuántico y en 2018 el Departamento de Energía aportó otros 250 millones para proyectos de computación cuántica, sensores y comunicaciones. A ello se unen los esfuerzos de los servicios armados por desarrollar capacidades en sus campos de operación. En el sector privado también hay varias compañías apostando por esta tecnología, como Google, Intel, IBM y Microsoft, que llevan una década trabajando en aplicaciones cuánticas.

China inició sus esfuerzos en tecnología cuántica antes que el resto de países. En 2016, con el objetivo de lanzar sus primeras capacidades basadas en ella a finales de la década, se inició la construcción del Laboratorio Nacional para Ciencias Cuánticas en Hefei (provincia de Anhui) con una inversión de 10.000 millones de dólares, de cara a alcanzar un liderazgo científico en computación y sensores cuánticos. Culminó con éxito la primera red de comunicaciones terrestre a larga distancia cuántica entre Beijing y Shanghai. Su Agencia Espacial lanzó el satélite de comunicaciones cuánticas en 2016, que en 2017 ayudó a organizar la primera videoconferencia intercontinental, asegurada por QKD, entre Beijing y Viena. Una estación ya conecta el satélite con la red terrestre de Beijing a Shanghai. Su objetivo es continuar enviando al espacio a sus satélites cuánticos mientras que varias ciudades del país crean planes para las redes municipales de QKD. Mientras en España seguimos expandiendo nuestra red de fibra óptica, absolutamente necesaria, China avanza en una nueva generación.

Los países europeos dan pasos importantes. A nivel de la Comisión Europea se han establecido diversos programas de investigación cuántica con una inversión inicial de unos 1.000 millones de euros para los próximos diez años en cuatro áreas: comunicaciones, computación, simulación y sensores. El Gobierno del Reino Unido anunció un plan de inversiones a cinco años de 270 millones de libras para desarrollar su propio programa de tecnología cuántica, que pretende la creación de una comunidad científica, industrial y militar alrededor de estas capacidades en la primera mitad de la próxima década. En Francia, el presidente Macron firmó un acuerdo con el primer ministro de Australia en 2018 para una joint venture que desarrollará y comercializará circuitos integrados cuánticos de sílice. Alemania hizo lo propio en septiembre de 2018 con un programa de investigación de 650 millones de euros para investigación cuántica para el periodo 2019-22.

Pero existen numerosos retos que deben salvarse para convertir esta capacidad en un instrumento habitual de nuestras vidas. El primero es la necesidad de disponer de repetidores cuánticos para transportar los fotones más lejos, pues los materiales de los cables pueden absorber fotones, lo que significa que sólo pueden viajar unas pocas decenas de km. antes de desaparecer. Para compensarlo, las redes clásicas usan repetidores en varios puntos a lo largo de un cable para amplificar la señal. Los algoritmos de cifrado más potentes son bastante robustos, pero insuficientes, por lo que se trabaja en un nuevo enfoque basado en el teletransporte cuántico. Aunque suene a ciencia ficción, es un método real que consiste en transmitir datos en estado cuántico al 100 por ciento. El enfoque se basa en un fenómeno cuántico conocido como entrelazamiento El teletransporte se basa en parejas de fotones entrelazados. Uno de ellos se envía al destinatario y el otro al remitente de la información. La carrera cuántica determinará una nueva forma de supremacía tecnológica y militar y, por primera vez en siglos, China lleva la delantera y esto supone un riesgo con el que Occidente deberá lidiar en las próximas décadas para garantizar la hegemonía de las democracias.

Por Enrique Navarro


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