Un siglo de investigación y progreso

Texto: Isabel Robles

Cien años después del establecimiento de las bases de la mecánica cuántica, la ciencia que revolucionó la comprensión de la realidad da paso a una nueva generación de tecnologías. Computadores, sensores y comunicaciones cuánticas prometen transformar sectores clave como la medicina, la energía o la seguridad, pero también ayudar a buscar soluciones para retos globales a los que se enfrenta la humanidad, como el cambio climático. 

Naciones Unidas ha declarado 2025 como Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas, con el fin de reconocer su importancia y conmemorar los cien años de desarrollo de una ciencia que se ha demostrado imprescindible. Sin ir más lejos, la física cuántica «ha tenido un gran impacto en el conocimiento que tenemos de todo lo que nos rodea», explica Ignacio Cirac, director de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica: «la física cuántica describe el mundo desde lo más microscópico hasta lo macroscópico». Además, también ha influido en otros ámbitos científicos, como las matemáticas –ya que «se trata de una teoría en la que, para poder hacer predicciones, hacen falta cálculos complejos y, por ende, el desarrollo de nuevas teorías»– o la ingeniería electrónica, basada en la posibilidad de diseñar y construir semiconductores. Sin embargo, el conocimiento del mundo cuántico es relativamente reciente: su formulación teórica comenzó hace apenas un siglo. Fue entonces cuando un puñado de físicos, incapaces de dar solución con las leyes tradicionales a varios problemas que aparecían en sus experimentos, empezaron a considerar otras formas de describir la naturaleza. El lenguaje que rompía con la física clásica sentó las bases de una revolución intelectual y tecnológica sin precedentes. 

Cien años desde la creación de la mecánica matricial

En 1900, Max Planck propuso una nueva teoría para entender la radiación electromagnética que emiten los cuerpos negros. Hasta entonces, la física clásica no era capaz de explicar la distribución de la energía observada en el espectro continuo de este tipo de radiación. La ley de Rayleigh-Jeans, válida para longitudes de onda largas, predecía que la intensidad de la radiación aumentaba sin límite a medida que se acortaba la longitud de onda, lo que no era compatible con la observación experimental: se trataba de la «catástrofe ultravioleta». Sin embargo, Planck consideró que la energía no fluye de forma continua, sino en unidades discretas que denominó «cuantos». Acababa de establecer las bases de la mecánica cuántica. En 1905, Albert Einstein, partiendo de la idea de Planck, demostró que la luz no solo tenía propiedades de onda, sino también de partícula, teoría que, en 1924, el físico Louis-Victor de Broglie amplió a la materia, en especial refiriéndose a los electrones. Todas estas teorías fragmentarias no acababan de describir el comportamiento del mundo cuántico. Fue entonces (1925), cuando Werner Heisenberg concibió una formulación matemática basada en matrices –que desarrollaría junto con Born y Jordan– y, más tarde, el principio de indeterminación. Al mismo tiempo, Erwin Schrödinger, en una estancia en Suiza, daba con la ecuación que describía la evolución temporal de una partícula subatómica de naturaleza ondulatoria y no relativista. A partir de esta primera revolución, el conocimiento del mundo cuántico no ha hecho más que ampliarse. La comprensión y aplicación de las propiedades de la mecánica cuántica permitieron sentar las bases de tecnologías que hoy son fundamentales para la computación, la medicina o las comunicaciones, gracias a la creación de láseres, microprocesadores y el resto de las aplicaciones electrónicas. La actualidad se encuentra inmersa en la segunda revolución cuántica. «Hasta hace treinta años, algunas leyes de la física cuántica que son más especiales o contraintuitivas no se podían explorar, casi no se podían ni observar. Sin embargo, el desarrollo tecnológico nos ha permitido tener acceso a esas nuevas leyes que nos permiten, por ejemplo, manejar información de una manera distinta a la que hemos hecho hasta ahora», explica Ignacio Cirac. «Normalmente, la información se traduce en ceros y unos, de manera que los ordenadores puedan procesarla y arrojar resultados. Además, también se puede transmitir, corregir o comprimir. No obstante, al utilizar estas nuevas leyes para tratar de una manera distinta la información se abren posibilidades que permiten hacer cosas más deprisa o cálculos que de otro modo serían imposibles». Esta segunda revolución está muy presente en las tecnologías emergentes, donde las leyes del mundo cuántico se pueden aplicar a las comunicaciones, la computación o la adquisición de información. 

Tecnologías del mundo cuántico

La medicina, la química, la energía o la seguridad alimentaria son solo algunos de los campos que se benefician de la tecnología cuántica. Los sensores cuánticos, por ejemplo, permiten detectar señales tan débiles que no existen para los convencionales, lo que abre nuevas posibilidades en el campo de la medicina. Sin embargo, uno de los ámbitos más destacados es el de la computación cuántica. La diferencia entre los ordenadores convencionales y los cuánticos no radica en la información que procesan, sino cómo lo hacen. «Los ordenadores cuánticos no utilizan ceros y unos, ni bits, sino que utilizan bits cuánticos –cúbits–, que cuentan con unas propiedades relacionadas con las leyes cuánticas. Han de ser capaces de tener superposiciones, ser cero y uno a la vez», indica Cirac, que en los años noventa ideó la forma de construir un ordenador cuántico. Para ello, es necesario contar con materiales que sean compatibles con las leyes de la física cuántica y plantear un sistema donde funcionen, limitando al máximo las perturbaciones. Una forma de lograrlo es mediante la temperatura. «Los ordenadores cuánticos tienen que encontrarse en unos estados muy precisos y no perturbados prácticamente por nada. Por eso hay que bajar la temperatura y aislarlos bien de todo lo que los rodea, para que nada nos contamine, aunque esto también se puede hacer mediante otras tecnologías». En febrero de 2025, el Barcelona Supercomputing Center presentó el primer computador cuántico de España que ha sido desarrollado con tecnología completamente europea. Integrado en el supercomputador MareNostrum  5, este sistema híbrido permite aprovechar las características de ambos tipos de computación. «El principal reto es introducir una tecnología de computación nueva en el entorno de supercomputación que ha sido la tradición del centro los últimos veinte años», explica Artur García, investigador que lidera el área cuántica en el BSC. «Los superordenadores resuelven problemas complejos, algunos de los cuales están relacionados con el estudio de sistemas físicos, donde muchos componentes microscópicos interaccionan con fuerza. La gran cantidad de interacciones hace difícil resolver el problema con los métodos actuales, pero, al cambiar la tecnología de computación y usar la cuántica, algunos problemas complejos se vuelven sencillos. Un ordenador cuántico actual debe funcionar conjuntamente y de manera sincronizada con otras máquinas convencionales de supercomputación», añade. Este computador cuenta con cinco cúbits fabricados con circuitos que emulan el comportamiento de un átomo y aislados de cualquier perturbación, lo que se consigue «bajando la temperatura a unos pocos milikelvins, y eliminando otras fuentes de ruido como campos magnéticos». También programar algoritmos para esta tecnología supone un reto: «en algunos momentos del proceso de diseño de un algoritmo cuántico, es preferible tener un conocimiento detallado de las leyes de la física cuántica, algo que en general no es habitual para un programador», explica Artur García. Además, «estas operaciones de física cuántica crean una superposición, que es lo que da la potencia al computador. Para obtener un resultado, al final hay que mirar, lo que provoca que solo aparezca una de las superposiciones, pero de manera aleatoria. Ahí es donde radica la dificultad de los algoritmos cuánticos: deben crear todas estas superposiciones y, de la misma forma, deshacerlas para que el resultado no sea aleatorio», añade Ignacio Cirac. En la actualidad, el BSC explora la aplicación de técnicas avanzadas de computación, incluyendo supercomputación y computación cuántica, en problemas de ciencia e ingeniería. «El computador cuántico es un paso más en el desarrollo de la computación de altas prestaciones. Estamos explorando las capacidades de los ordenadores cuánticos para resolver problemas complejos en campos como la física nuclear o la química. También nos interesa entender sus capacidades en tareas como el procesado de imágenes, o el estudio de materiales a bajas temperaturas», indica Artur García. Del mismo modo, existen muchas áreas donde la computación cuántica puede tener un gran impacto en el futuro, como las finanzas o la ciencia de materiales, ya que, por ejemplo, «gracias a su versatilidad para representar y manipular estados cuánticos, estos ordenadores son la herramienta perfecta para entender el mundo microscópico que gobierna el diseño de nuevos materiales». La computación cuántica es un campo de gran actividad y en constante desarrollo que permite proporcionar recursos de computación a investigadores de otros ámbitos. «Aunque todavía necesita mejorar mucho sus prestaciones, estos avances no pueden quedar limitados por la falta de financiación. Al ser una tecnología muy nueva, existen diferencias entre el posicionamiento de Europa con respecto a otras regiones. Para corregirlo, el programa EuroHPC va a suponer un gran empuje al ecosistema europeo, que puede alcanzar el nivel tecnológico de EE.  UU. o China en los próximos años», asegura Artur García. Otro ejemplo europeo de investigación y desarrollo de tecnologías cuánticas lo constituye el Instituto Max Planck de óptica cuántica, centrado en la investigación básica para construir ordenadores, sistemas de comunicación y sistemas de adquisición cuánticos. En el ámbito de las comunicaciones, uno de los principales campos en los que se está trabajando es el de la seguridad. Aprovechando que una de las leyes de la física cuántica consiste en que no es posible observar un sistema cuántico sin alterarlo, en las comunicaciones cuánticas, si un tercero intenta espiar, la comunicación se ve alterada, lo que convierte esta tecnología en una de las formas más prometedoras de garantizar ciberseguridad avanzada. Sin embargo, la llegada de ordenadores cuánticos lo suficientemente potentes supondrá un riesgo para la criptografía clásica que hoy protege las comunicaciones. «Ya se está trabajando para implementar una seguridad basada en algoritmos postcuánticos, porque todos los datos se están almacenando y, dentro de diez o quince años, si alguien tiene un ordenador cuántico, podrá descifrarlos», explica Ignacio Cirac. No obstante, construir redes cuánticas que garanticen esa seguridad no es una tarea sencilla: «hoy podemos utilizar redes comunicativas cuánticas en distancias que no superen los cincuenta o cien kilómetros. En este tipo de comunicación se utilizan fotones que viajan por fibras ópticas convencionales –oscuras– y transportan cúbits, pero siempre existe una tasa de absorción que hace que a los cien kilómetros estos fotones se hayan reabsorbido. En la comunicación convencional, esto se puede resolver con repetidores o amplificadores, pero en la comunicación cuántica estos repetidores tienen que cumplir las leyes de la física cuántica y, aunque hay prototipos, todavía no son funcionales». También se investiga la posibilidad de establecer comunicación cuántica mediante satélites y enlaces por espacio libre, pero aún queda mucho por desarrollar. 

España, que comienza a posicionarse en el mapa de estas tecnologías con iniciativas como el ordenador cuántico del BSC o la próxima instalación de un ordenador cuántico en Bilbao de la mano de IBM, presenta un tejido sólido en el ámbito del software cuántico, con empresas emergentes, grupos de investigación bien posicionados y un número creciente de aplicaciones experimentales. Sin embargo, en el terreno del hardware, la brecha es más evidente. Como reconocen algunos expertos, la investigación experimental en tecnologías cuánticas aún no alcanza el nivel de países como Alemania, donde existe una tradición más fuerte en desarrollo de dispositivos propios. Por suerte, en los últimos años, se ha intensificado la inversión pública y privada para reducir esa distancia y, aunque es un desafío complejo, se van produciendo avances.

En busca del desarrollo sostenible

«La tecnología cuántica tiene un enorme potencial para mejorar el planeta y conseguir una sociedad más justa», afirma el Foro Económico Mundial (WEF) en su informe Quantum for Society: Meeting the Ambition of the SDGs. Centrado en los diecisiete objetivos de desarrollo sostenible establecidos en la Agenda 2030, el informe pretende informar sobre el uso que se puede dar a tres de las tecnologías cuánticas en las que se está trabajando en la actualidad: la computación, la detección y la comunicación cuánticas. «El actual proceso Haber-Bosch de fijación artificial del nitrógeno que se utiliza para producir amoniaco ya tiene más de un siglo. Sin embargo, encontrar una alternativa ha sido imposible debido a que simular los catalizadores clave llevaría más de ochocientos mil años en un ordenador convencional», algo que, a medida la computación cuántica se desarrolle, dejará de suponer un obstáculo gracias a la ventaja cuántica, que «permitirá que los problemas se procesen mucho más rápido», según el informe del WEF. Este es solo uno de los ejemplos en los que se puede aplicar el potencial de la computación cuántica. También otros objetivos relacionados con la conservación de los recursos en riesgo debido al cambio climático –como el agua–, la reducción de los gases de efecto invernadero o la producción de energía limpia pueden beneficiarse de las tecnologías cuánticas. Además, «la incorporación de sensores cuánticos de gravedad y de campos magnéticos a los satélites puede ofrecer una nueva forma de ver lo invisible, al medir cambios que en la actualidad son imperceptibles y recopilar información crucial para entender y monitorizar el cambio climático, la evolución de la hidrosfera y la criosfera, y las aguas subterráneas, así como para la alerta temprana de fenómenos hidrológicos extremos y riesgos geológicos». También «el diseño de células solares, la modelización del clima y la lucha contra los PFAS» son aplicaciones de la ciencia cuántica que están relacionadas con los ODS, y aparecen citadas en el mismo informe. No obstante, es necesario idear sistemas y tecnologías cuánticas respetuosos con el medioambiente. Para ello, en 2022 se lanzó la Quantum Energy Initiative, que pretende garantizar que se tenga en cuenta el impacto ambiental de los ordenadores cuánticos que se construyan en los próximos años desde el momento de su concepción. La eficiencia energética es importante, ya que actualmente los centros de datos consumen entre el 1  % y el 1,5 % de la energía mundial y ponen en riesgo el acceso al agua de las futuras generaciones. Gracias a los computadores cuánticos y a su rapidez a la hora de resolver problemas complejos, el consumo de energía y de agua puede reducirse a pesar de la infraestructura que necesitan para funcionar. Del mismo modo, «los computadores cuánticos podrán ser capaces de resolver problemas complejos relacionados con la optimización de la gestión del calor en los centros de datos», lo que mejoraría la eficiencia energética de la computación convencional, según fuentes del WEF. La computación cuántica también tiene un papel esencial en el camino hacia una energía que proceda fundamentalmente de fuentes renovables. «La computación convencional no está diseñada para manejar una ampliación exponencial de los parámetros de entrada en las redes de energía. En este contexto, la computación cuántica podría explorar la gestión dinámica de recursos para permitir que la demanda del sistema se adapte de forma flexible a la generación renovable variable», afirma el WEF. Por ello, aunque todavía es pronto para imaginar lo que ocurrirá antes de 2030, las tecnologías cuánticas vaticinan grandes avances en la solución a problemas de sostenibilidad complejos.