Nuestra comprensión y explotación de las propiedades cuánticas de la materia ya ha dado lugar a aplicaciones con un gran impacto económico y social. A mediados del siglo pasado se comenzaron a construir las primeras computadoras y los primeros circuitos integrados, que desembocaron décadas más tarde, en el desarrollo de smartphones, láseres y dispositivos avanzados de diagnóstico médico. Es difícil pensar en el desarrollo de otra tecnología que haya transformado la vida humana tan rápida y profundamente.

Ahora, imaginemos cómo sería el mundo si pudiéramos desarrollar un tipo de tecnología que hiciera parecer primitivas a las tecnologías actuales. Esa es la promesa de las tecnologías cuánticas.

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia a escalas pequeñas, desde el mundo de los átomos y moléculas, hasta las partículas sub-atómicas individuales. A esta escala ocurren fenómenos anti-intuitivos que son muy interesantes, y que si le ocurrieran a objetos macroscópicos, parecería mágico. Ejemplos destacados son la superposición y el entrelazamiento.

Nuestra experiencia diaria nos dice que los objetos no pueden estar en dos lugares al mismo tiempo… y estamos de acuerdo. Sin embargo, eso sucede para objetos macroscópicos, como una taza o un libro. Lo que es bizarro en el comportamiento de las partículas cuánticas es que ¡esto sí es posible! Para comprender esto, consideremos una partícula que tiene dos estados posibles: rojo y azul (ver el lado izquierdo de la Figura 1). Si esta partícula sigue las reglas de la mecánica cuántica, se puede encontrar en un estado que con cierta probabilidad la veamos roja y con cierta probabilidad la veamos azul, como lo ilustra el lado derecho de la Figura 1. Decimos entonces que la partícula se encuentra en un estado superposición de rojo y azul. Estos dos estados, rojo y azul, en el caso clásico, serían mutuamente excluyentes, es decir, la partícula sólo puede ser roja o azul. Pero en el mundo cuántico, la partícula puede ser roja y azul a la vez. Esto es la superposición.

Otra característica peculiar del mundo cuántico es que las partículas pueden entrelazarse, de modo que todo lo que le sucede a una se correlaciona instantánea y automáticamente con lo que le sucede a la otra, independientemente de su separación en el espacio. Para comprender este concepto, supongamos que tenemos dos partículas preparadas en un estado entrelazado en donde ambas son rojas y azules a la vez con cierta probabilidad, como lo ilustra la figura 2. Ahora, suponga que después de ser entrelazadas, estas partículas se alejan en direcciones opuestas, tanto como se quiera. Si un observador mira una de las partículas y le obliga a elegir un color, la segunda partícula, aunque esté muy alejada, de manera inmediata e instantánea, hará la misma elección. Esto significa que para el entrelazamiento, la distancia no es un obstáculo. Einstein expresó su preocupación por este concepto refiriéndose a él como “espeluznante acción a distancia”.

En computación clásica se utilizan bits para representar y procesar información. Cada bit puede tomar los valores 0 o 1, y éstos corresponden a los estados de apagado o encendido de corriente a través de un transistor, respectivamente. El transistor actúa como un interruptor: cuando no circula corriente el transistor está apagado y se corresponde con un bit 0, mientras que cuando circula corriente el transistor está encendido y se corresponde con un bit 1. En términos del ejemplo de los estados de dos colores, es como si el bit 0 correspondiera con el estado rojo y el bit 1 con el estado azul. Las computadoras clásicas realizan cálculos utilizando algoritmos basados en puertas lógicas binarias, como las puertas and, or y not. Cada vez que pulsamos una tecla del teclado, se crean, destruyen y/o modifican cadenas de ceros y unos dentro de la computadora. Una computadora clásica lee UNAM en lenguaje binario como 01010101 01001110 01000001 01001101.

Las cosas son muy diferentes en computación cuántica. Ésta se basa en bits cuánticos, o qbits, que pueden tomar los estados , o una superposición de ambos estados simultáneamente. Esto podemos visualizarlo sobre una esfera de radio uno: el polo norte corresponde al estado , el polo sur al estado y todos los demás puntos sobre la esfera corresponden (cada uno) a una superposición distinta de dichos estados. En términos del ejemplo de los estados de dos colores, el polo norte corresponde al estado rojo, el polo sur al estado azul y todos los demás son una combinación de ambos colores. Esta analogía refleja las limitaciones de la computación clásica: los bits pueden ocupar sólo los polos de la esfera, mientras que un qbit puede ocupar todos los puntos sobre la esfera. Esta idea se ilustra en la figura 3. Esta es la razón por la que un qbit tiene un mayor potencial de almacenar información. Esta habilidad permite que el rendimiento de las computadoras cuánticas aumente exponencialmente a medida que vamos agregando qbits, confiriéndole el potencial de resolver problemas a velocidades que superan por mucho a las computadoras clásicas de alto rendimiento.

El rápido avance en computación cuántica representa una gran amenaza para la ciberseguridad actual, de manera que es indispensable el desarrollo de tecnologías cuánticas de la comunicación que permitan la transmisión de información de forma segura. Por ejemplo, en principio, los computadores cuánticos serán capaces de romper la criptografía que protege las comunicaciones en internet y en telefonía actuales, pero eso aún está muy lejos, pues para lograrlo se requerirá un número muy grande de qbits (se estima que se requerirían entre 2000 y 2500 qbits para romper toda la criptografía de clave pública). Esta amenaza (a largo plazo) ha motivado que las agencias de seguridad desarrollen protocolos resistentes a las tecnologías cuánticas. Ya han habido avances importantes en esta dirección, como el desarrollo de distribución cuántica de claves, que releva posibles intrusos usando un aspecto fundamental de los sistemas cuánticos: el proceso de medición perturba al sistema. Esto quiere decir que usando entrelazamiento cuántico es posible implementar un sistema de comunicaciones que detecte intrusos: si un par de qbits entrelazados es compartido entre dos partes, cualquiera que intercepte a una de las partes alterará todo el sistema, relevando la presencia de un intruso. La implementación del intercambio de claves seguras ya es una realidad. Diversos grupos experimentales al#026193edor del mundo (tales como el Laboratorio Nacional de los Álamos y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) lo han logrado a distancias de más de 100 km.

Actualmente, China es el país con más desarrollo en comunicaciones cuánticas. De hecho, lazó el primer satélite de telecomunicación cuántica, QUESS (QUantum Experiments at Space Scale). Este experimento demostró la distribución cuántica de claves entre el Observatorio Astronómico de Xinjiang (Ürümqi) y el Observatorio Xinglong (Beijing), separados por una distancia de 2,500 km. Además, QUESS demostró la validez de las desigualdades de Bell a una distancia de 1,200 km, más lejos que cualquier experimento realizado sobre la tierra. En 2024, la Agencia Espacial Europea pretende lanzar el satélite de distribución cuántica de claves Eagle-1, con un objetivo similar al QUESS.

Las tecnologías cuánticas podrían tener aplicaciones también en los ámbitos militar y médico. Tal es el caso de la metrología cuántica, que explota efectos cuánticos como el entrelazamiento y la superposición para mejorar la precisión de instrumentos de medición. La precisión en las mediciones es muy importante en la investigación científica básica, ingeniería y tecnología. Se espera que el desarrollo de sensores cuánticos mejoren potencialmente la precisión de sistemas de navegación para inteligencia y vigilancia, así como la capacidad de posicionamiento en ausencia de sistemas basados en satélites.

Por ejemplo, la sincronización es muy importante para un posicionamiento preciso, y esto requiere medir el tiempo con la mayor exactitud posible. La precisión de los relojes atómicos actuales está limitada por la estabilidad de los estados cuánticos en las transiciones atómicas, y aún así, tienen importantes aplicaciones en ciencia y tecnología. Sin embargo, utilizando estados cuánticos entrelazados, sería posible crear relojes aún más estables que permitirían medir el tiempo con una precisión sin precedentes.

Otra área de interés en metrología es el desarrollo de sensores cuánticos. Los magnetómetros más precisos con los que contamos para la medición de campos magnéticos débiles funcionan en base a la interferencia cuántica en circuitos superconductores. Actualmente se investiga la posibilidad de utilizar qbits superconductores y átomos fríos. Esto aumentaría considerablemente la precisión.

Debido a sus potenciales aplicaciones, la carrera mundial de las tecnologías cuánticas ha comenzado. Muchos países quieren ser líderes en el avance de dichas tecnologías. Los gobiernos de los países más desarrollados anuncian cada vez más programas nacionales y estrategias para el desarrollo de tecnologías cuánticas. Actualmente, China es el país con la mayor inversión en tecnologías cuánticas, con una inversión total del 15,000 millones de dólares, seguidos por Estados Unidos de América y la Unión Europea, con inversiones de 1,800 y 1,200 millones de dólares, respectivamente. En Hispanoamérica, aún no existen países que cuenten con alguna estrategia con fondos desatinados a programas de investigación y desarrollo de tecnologías cuánticas.

Algunas estrategias nacionales para el desarrollo de tecnologías cuánticas pueden consultarse en:

Estado Unidos de América https://www.quantum.gov/strategy/
Reino Unido https://uknqt.ukri.org/wp-content/uploads/2021/10/National-Quantum-Technologies-Strategy.pdf
Alemania https://qbn.world/eur-3-billion-action-plan-for-quantum-technologies-by-german-government/
Irlanda https://assets.gov.ie/276661/61f7f8f1-636b-48e1-91c9-a9bf63e00ce8.pdf