La mayoría de la opinión pública española probablemente desconoce que el físico español Ignacio Cirac, actualmente director de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania), desarrolló y presentó ya en 1995, junto a su colega Peter Zoller, la primera descripción teórica de una arquitectura de computación cuántica basada en trampa de iones. Con ello se demostraba cómo puede ser viable y capaz de realizar cálculos que no podemos realizar en la actualidad.

Ese ordenador cuántico calcula en qubits (bits cuánticos) y requeriría al menos 100.000 qubits para funcionar, aumentando a 1.000.000 si se implementa la corrección de errores. Será capaz de realizar cálculos antes inalcanzables, como la factorización de grandes números -campo relacionado con la seguridad informática–, que actualmente requiere un tiempo de cálculo exponencialmente grande, y crear mensajes encriptados imposibles de descifrar o hackear.

La construcción de un ordenador cuántico funcional requiere un enorme cambio tecnológico, aún no producido, pero el trabajo de Cirac y de Zoller ha inspirado a muchos grupos de investigadores, así como el conjunto de su trabajo en redes ópticas ha impulsado el campo de la simulación cuántica. El carácter muy concreto de su propuesta posibilitó a numerosos grupos de todo el mundo realizar experimentos exitosos e inspirado a muchos investigadores tanto teóricos como experimentales.

Conforme evoluciona la informática avanzada y crece en complejidad la cibernética global de Internet se generan más y más necesidades de conexiones y los usos de la red más seguros ya que crecen los ciberataques a importantes instalaciones informáticas, tanto empresariales como gubernamentales, públicas o privadas, incluidas instalaciones críticas. La caída, bloqueo o secuestro de redes informáticas que genera enormes problemas han aumentado en varios órdenes de magnitud. Así que la exigencia de un entorno global seguro, protegido y robusto se está haciendo más y más acuciante.

Para muchos especialistas, la respuesta a estas necesidades crecientes sería el 'Internet Cuántico', un sueño que se asocia a un inmenso poder de computación y a la capacidad de generar comunicaciones totalmente seguras mediante ordenadores y redes cuánticas.

Hacia el internet cuántico

Los pasos hacia esa informática cuántica conectada y distribuida se vienen dando desde hace años. La física teórica Stephanie Wehner ya aseguraba en 2018 en Nature que el pasar de la teoría de la informática cuántica a la funcional, pasaba por usar la mecánica cuántica para darles a las redes informáticas actuales algo de lo que hoy aún carecen: el potencial de comunicaciones no hackeables (pirateables); y por utilizar las exóticas propiedades de la física cuántica para enlazar, o entrelazar, objetos distantes, y teletransportar información entre ellos. Y según Wehner, eso obliga necesariamente a reinventar Internet y hacerlo cuántico. Pero obviamente también pasa por crear toda una serie de nuevos estándares para el internet cuántico funcional y seguro.

También va a ayudar enormemente a la aceleración informática cuántica, el acuerdo de hace pocos días, el 14 de diciembre de 2020, entre el Parlamento Europeo y los Estados miembros de la UE, que han aprobado un programa de la UE con una inversión de 7.200 millones de euros con el objetivo acelerar la recuperación impulsando la transformación digital de Europa. En el anuncio del acuerdo, el Comisario Europeo de Mercado Interior, Thierry Breton, señaló entre las prioridades, una muy clara en relación con el tema que nos ocupa: "La pandemia ha puesto de relieve la necesidad de invertir en nuestras capacidades digitales, desde los superordenadores hasta la ciberseguridad... y además promover nuestra soberanía tecnológica y fortalecer nuestras capacidades digitales estratégicas".

La Alianza de la Internet Cuántica (QIA) paneuropea

Todo ello está relacionado con la ya constituida Alianza de la Internet Cuántica (QIA) paneuropea, en cuya misión está definida la futura internet cuántica "que proporcionará aplicaciones de Internet radicalmente nuevas al permitir la comunicación cuántica entre dos puntos cualesquiera de la Tierra".

Su objetivo es desarrollar un proyecto de una internet cuántica paneuropea mediante avances tecnológicos innovadores, culminando lo antes posible una primera demostración experimental de estructura totalmente integrada y funcional en una red cuántica de múltiples nodos.

Los pasos están ya planeados, según el documento oficial: "QIA impulsará la frontera de la tecnología en nodos finales, qubits de iones 'atrapados', –de los formulados por Cirac originalmente–, qubits de NV de diamante, qubits de átomos neutros y repetidores cuánticos (memorias basadas en tierras raras, gases atómicos, puntos cuánticos) y demostrará la primera integración de ambos subsistemas. La declaración de intenciones del documento (del Horizonte 2020, es decir, del año actual) es contundente".

Prosigue la descripción: "Conseguiremos el entrelazamiento y la teletransportación a través de tres y cuatro nodos remotos de la red cuántica, dando así el salto de simples conexiones punto a punto a las primeras redes multinodos. Demostraremos las principales capacidades de habilitación de los repetidores cuánticos, lo que dará lugar a demostraciones de prueba de los enlaces de repetidores básicos de larga distancia en el mundo real, incluido el enlace más largo de este tipo en todo el mundo. Desarrollaremos una estructura de hardware y software que proporcionará un control rápido y reactivo, y permitirá realizar aplicaciones de alto nivel independientes de la plataforma".

Todo ello se materializa a través de "un sistema completo en un pequeño internet cuántico realizando un cálculo cuántico seguro y básico en la nube. También el diseño de la arquitectura del Plan mediante una simulación a gran escala de una Internet cuántica paneuropea utilizando datos de fibra óptica del mundo real. A través de la sinergia de los principales socios industriales (empresas), científicos y de RTO (tiempo objetivo de recuperación), el Plan de QIA proporcionará una hoja de ruta específica para la fase principal de la iniciativa y sentará las bases para una industria europea de Internet cuántico líder en el mundo".

Pues bien, lo que se aseguró en esa declaración está sucediendo ya mismo en el mundo pero al más puro estilo de cooperación científico y tecnológica multilateral de estilo europeo, cuyo ejemplo más paradigmático es del CERN, donde por cierto se inventó la Web, este mes hace 30 años.

Solo unos días atrás, el 17 de diciembre, acaba de anunciarse el éxito de un experimento de un equipo híbrido de investigadores formado por científicos de Caltech, el Fermilab del Departamento de Energía de EE.UU., AT&T, el Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, y las Universidades de Calgary y Harvard. Este equipo ha conseguido lograr un teletransporte cuántico sostenido y de 'alta fidelidad', algo imprescindible para llegar a una Internet cuántica viable, en la que la información almacenada en los qubits se deberá compartir a grandes distancias mediante el entrelazamiento cuántico, lo cual transformaría a gran escala para empezar el almacenamiento de datos digitales, la detección de precisión y la computación lo cual, probablemente, dará paso a una nueva era de comunicación digital.

Y eso afectará a las instituciones y empresas grandes o pequeñas, que la usan. O sea, a todas.

Un logro extraordinario en teletransporte cuántico

El detalle, publicado en PRX Quantum, de lo conseguido es impresionante: el citado equipo de investigadores ha mostrado por primera vez una demostración de teleportación sostenida a larga distancia (44 kilómetros de fibra óptica) de qubits de fotones (cuantos de luz) con una fidelidad superior al 90%. Los qubits fueron teletransportados a través de una red de fibra óptica utilizando nuevos detectores de un solo fotón y equipos de última generación. Es importante aclarar que la 'teletransportación' cuántica es una transferencia "incorpórea" de estados cuánticos de un lugar a otro.

La teletransportación cuántica de un qubit se logra mediante el entrelazamiento cuántico, en el que dos o más partículas están inextricablemente unidas entre sí. Si un par de partículas entrelazadas se comparten entre dos lugares separados, sin importar la distancia entre ellos, la información codificada se teletransporta sin pasar por el espacio entre ellos. En el artículo de la publicación se dan detalles de la tecnología: "Hemos usado dispositivos acoplados por fibra óptica, incluyendo detectores superconductores de 'nanoalambre' de un solo fotón de bajo ruido y ópticas de última generación. Y conseguimos la teletransportación cuántica condicional de los bits de la time-bin en una longitud de onda de telecomunicación de 1.536,5 nanómetros. Y medido una fidelidad de teletransportación ≥ al 90 %, consistente con un modelo analítico de nuestro sistema, que incluye imperfecciones realistas." Y concluyen "Nuestros sistemas, que son compatibles con los dispositivos cuánticos de estado sólido existentes, proporcionan una 'base realista para una Internet cuántica de alta fidelidad' con dispositivos prácticos y funcionales".

Este avance es notable por varias razones. Muchas demostraciones previas de teletransportación cuántica han demostrado ser inestables a largas distancias. Por ejemplo, en 2016, los investigadores de Calgary pudieron realizar el teletransporte cuántico a una distancia de seis kilómetros. Este fue el récord mundial en ese momento y visto como un gran logro. Ahora han sido 44 kilómetros y Joe Lykken, subdirector de Investigación del Fermilab señala: "Felicito al equipo de IN-Q-NET y a nuestros socios de universidades y empresas por este logro, el primero de su clase, en teletransportación cuántica." Por mi parte, y por lo que he explicado antes, me alegro de que en este tema, Europa se haya puesto las pilas y forma parte de esta vanguardia mundial. Y no es la primera vez en Internet.

Aceleración cuántica

Las expectativas que trae esta clara aceleración hacia el internet cuántico, indican que hay que impulsar que varios campos a la vez converjan hacia la red cuántica. En palabras de Panagiotis Spentzouris, jefe de ciencia cuántica de Fermilab, hay que desarrollar "tanto aplicaciones de la comunicación cuántica y tecnologías de redes, como avances de la ingeniería de sistemas". Las promesas del Internet cuántico son inmensas. Europa lo sabe y ya tiene en marcha bajo la citada Alianza de la Internet Cuántica (QIA), por ejemplo, un equipo de la universidad holandesa de Delft que ya ha comenzado a construir la primera red cuántica genuina, que conectará cuatro ciudades de los Países Bajos.

El proyecto, con finalización prevista a finales de este mismo año, podría ser una versión cuántica de la pionera ARPANET, aquella red de comunicaciones que fue el inicio de Internet. A mayor escala, los investigadores prevén expandirlo a toda Europa, empezando mediante una nube de computación cuántica, con unas pocas máquinas altamente sofisticadas accesibles a través de una Internet cuántica desde la mayoría de laboratorios universitarios.

"Lo más interesante es que tal nube de computación cuántica también es segura", señala Ronald Hanson, físico experimental del equipo de Delft, que aclara "La gente no puede saber qué tipo de programa está ejecutando en el servidor y los datos que tiene." El equipo de Hanson construye ahora un enlace entre Delft y La Haya, de 10 km. de longitud. Dentro de pocos meses, esperan tener conectadas cuatro ciudades holandesas, con estaciones en esos lugares que actuarán como un repetidor cuántico. Si tiene éxito, sería la primera red de teletransporte cuántico genuina del mundo.

Y los investigadores anuncian una plétora de nuevas aplicaciones del Internet cuántico, como subastas, eventos electorales, negociaciones de contratos y speed trading / HIF (Negociación financiera de alta frecuencia), –que podrían explotar los fenómenos cuánticos para ser más rápidos sobre todo más seguros que sus aplicaciones clásicas actuales. La red cuántica podría ser un banco de pruebas donde los investigadores esperan corregir algunos de los defectos de Internet, entre ellos la facilidad con que los usuarios pueden falsificar o robar identidades. Pero otro gran impacto de la Internet cuántica podría darse en la misma vanguardia de la ciencia, que de inmediato proporciona aplicaciones prácticas.

Por ejemplo, la red cuántica podría abrir todo un universo de aplicaciones imposibles con las comunicaciones actuales, como la conexión de ordenadores cuánticos entre sí; el sincronizar los relojes atómicos utilizando el entrelazamiento, algo que podría mejorar la precisión de las redes de navegación de los Sistema de Posicionamiento Global de metros a milímetros. También otros, como lo que el físico de Harvard Mikhail Lukin, ha propuesto que es usar el entrelazamiento para combinar varios relojes atómicos distantes en un solo reloj con una precisión muy mejorada, lo que según él podría conducir a nuevas formas de detectar las ondas gravitacionales, por ejemplo.

En astronomía, las redes cuánticas podrían enlazar telescopios ópticos ultranítidos distantes a lo largo de miles de kilómetros, para darles efectivamente la resolución de una descomunal antena virtual que abarque toda esa distancia. Este proceso, denominado very long baseline interferometry, se aplica rutinariamente en la radioastronomía, pero el funcionamiento en las frecuencias ópticas requiere una precisión de tiempo que actualmente está fuera de su alcance.

El despliegue del internet cuántico es un proyecto global con múltiples investigadores aportando nuevas ideas y desarrollos desde muchos lugares del mundo, todos a la vez. El físico Anton Zeilinger de la Universidad de Viena, que dirigió uno de los primeros experimentos de teletransportación cuántica en 1997, afirma "Personalmente soy de la opinión de que, en el futuro, la mayoría de las comunicaciones –si no todas–, serán cuánticas". Tal vez tenga razón, quién sabe. Pero afortunadamente como he mostrado antes, la ciencia de Europa forma hoy parte de esta vanguardia como ya estuvo, ahora justo hace tres décadas, en la del nacimiento de la Web. Que ciencia y empresas europeas cooperen en esta vanguardia ahora, es una gran noticia.