Així es prepara Catalunya per esdevenir la primera potència quàntica a Europa

GinebraSensors ultraprecisos, comunicacions més segures, ordinadors més ràpids i potents. Són tan sols uns quants exemples de tecnologies quàntiques, una àrea de desenvolupament tecnològic que està avançant amb força els darrers anys i que està cridada a tenir un impacte molt disruptiu en les pròximes dècades. Fins i tot, ja hi ha algunes aplicacions en expansió comercial, com els sistemes criptogràfics i els primers ordinadors quàntics.

L'impacte que ha tingut i tindrà la quàntica en la societat és una de les raons per les quals enguany se celebra l’Any Internacional de les Ciències i Tecnologies Quàntiques. La Unesco commemora així el centenari del naixement d'aquesta branca de la física. "El que se celebra enguany és l'extraordinari impacte que ha tingut els últims 100 anys, que són només els primers de la seva vida", comenta Lluís Torner, fundador de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) i catedràtic de física de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).

Aquestes noves eines tenen el potencial de transformar encara més les nostres vides i, gràcies als centres de recerca punters i les empreses emergents, Catalunya disposa de tots els ingredients per convertir-se en un pol de referència mundial en recerca i producció de tecnologies quàntiques.

La quàntica: de revolució en revolució

La física quàntica va néixer fa aproximadament un segle de la mà de noms com Schrödinger, Heisenberg, Bohr i el mateix Einstein, entre d’altres. Aquest marc conceptual, que va aparèixer com una eina per comprendre els mecanismes i la natura dels àtoms i que va representar la primera revolució quàntica, ha esdevingut, cent anys després, la base fonamental de gairebé tota la nostra tecnologia.

La quàntica descriu un món subatòmic difús i incert, amb unes lleis que posen a prova la lògica clàssica, en la qual tot està definit de manera precisa. Principis com els de superposició, on un objecte pot estar en diversos llocs a la vegada, o l’entrellaçament, que connecta misteriosament objectes llunyans, permeten avui el desenvolupament de les noves tecnologies quàntiques. Si bé la interpretació exacta d'aquesta àrea de la física és un tema encara avui obert, els científics han aconseguit comprendre'n prou bé els principis per facilitar les grans revolucions tecnològiques de l’era moderna.

L’avenç en la comprensió del món subatòmic va donar lloc al final de la dècada dels anys 40 a l’aparició dels transistors, els elements essencials que componen els microxips i són la base de tota la tecnologia digital actual. Una altra de les tecnologies que es van desenvolupar van ser els làsers, a partir dels quals es va desenvolupar tota una nova branca, la fotònica. "El món actual és un món essencialment digital. Sense els semiconductors, els làsers i els xips, això no hauria estat possible", argumenta Torner.

Si bé els làsers i els transistors funcionen gràcies als principis de la mecànica quàntica, no va ser fins fa pocs anys que els principis més fonamentals d'aquesta part de la física –la superposició i l'entrellaçament– s’han començat a explotar en profunditat. La tecnologia actual ens permet manipular àtoms i partícules subatòmiques de manera individual. Aquest avenç es coneix com a segona revolució quàntica i, en opinió de Torner, "ens trobem just al principi": "Encara està en fase de creació i ningú no sap on ens portarà, però té un potencial important".

Catalunya, un país capdavanter

Gràcies al ric i variat ecosistema format per universitats, centres de recerca i empreses, Catalunya es vol posicionar en el sector de les tecnologies quàntiques. "Catalunya disposa de tots els ingredients per esdevenir un dels principals hubs en tecnologies quàntiques d’Europa", declara Marta Estarellas, directora de Qilimanjaro, una start-up tecnològica, i afegeix que cal "fomentar la inversió, l’atracció de talent i la col·laboració".

Amb iniciatives com l’anomenada Vall de la Quàntica, Catalunya es projecta amb força dins del sector de les tecnologies quàntiques. "Estem rebent els fruits d'apostes que es van començar a fer fa 15 anys en els xips fotònics, per exemple", explica Torner, que afegeix: "Sovint hi ha avenços que triguen un cert temps a arribar. S’ha d’estar preparat i tenir paciència i constància".

Bruno Julià, professor de la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona i coordinador del màster en ciències i tecnologies quàntiques, destaca la importància de disposar de centres educatius d’alt nivell. "És important disposar de centres que facin recerca d'avantguarda, però també tenir una universitat que ofereixi una bona formació i que generi i atregui talent", considera.

Dins de l’aposta catalana per les tecnologies quàntiques, l'empresa Qilimanjaro està construint al Poblenou el primer centre de dades quàntic i híbrid de tota Europa, que estarà a disposició d'usuaris, investigadors, universitats, empreses i departaments d'innovació a finals d'aquest any. “Un dels objectius principals és democratitzar les tecnologies quàntiques”, explica Estarellas, que destaca la importància de disposar d'infraestructures pròpies en l'actual context polític i el proteccionisme de les tecnologies estratègiques.

Tipus de tecnologies quàntiques

Però quins tipus de tecnologies quàntiques hi ha?

Sensors quàntics

La naturalesa quàntica de la llum i la matèria permet crear dispositius de detecció ultrasensibles i molt precisos. Aquest tipus de sensors els podem trobar ja en diversos sectors industrials, com per exemple en la fabricació de rellotges atòmics per sincronitzar el senyal de GPS. "A l’ICFO tenim un programa de recerca important de sensors quàntics. En el nostre cas, són sensors per a neuromedicina, que fan servir principis de la física quàntica per detectar el camp magnètic del cervell", explica Torner, de l'ICFO.

Comunicacions i encriptació quàntiques

La protecció de la informació digital que està emmagatzemada en bases de dades o que es transmet a través d’internet s’ha de protegir de possibles atacs. En general, aquesta informació està protegida per protocols de seguretat que utilitzen claus criptogràfiques difícils de trencar. No obstant això, la potència de la computació quàntica podria enderrocar fàcilment aquestes barreres de seguretat. "Això es tradueix en el fet que la informació digital delicada podria estar exposada que algú la pogués interceptar, fet que posaria en risc governs, entitats financeres o hospitals, per exemple", comenta Vanesa Díaz, directora de LuxQuanta, una empresa especialitzada en comunicacions quàntiques.

Al mateix temps que la computació quàntica posa en risc les comunicacions segures, també proporciona les eines per protegir-les encara més. Empreses com LuxQuanta utilitzen el principi de superposició quàntica per establir comunicacions més segures. "El que fem és instal·lar un emissor i un receptor a ambdós extrems de la xarxa de comunicació que generen i reben la clau criptogràfica respectivament –comenta Díaz–. No deixa de ser una mena de contrasenya quàntica". Amb aquesta tecnologia, si algú intercepta la clau criptogràfica quan està en trànsit, aquesta deixa un rastre detectable.

La criptografia quàntica actualment és una de les tecnologies quàntiques més madures i amb un mercat més ampli. Per exemple, té un impacte significatiu per a aquelles empreses i entitats que disposen de grans quantitats de dades delicades, com podrien ser els hospitals.

Un dels components essencials de les comunicacions són els nombres aleatoris, que permeten encriptar la informació que viatja pels diferents canals digitals. "No podem protegir informació si no som capaços de generar nombres aleatoris impredictibles", explica Carlos Abellán, al capdavant de Quside, una empresa especialitzada en el disseny i construcció de maquinari que genera nombres aleatoris quàntics. Abellán comenta que "l’única manera de generar nombres totalment aleatoris és gràcies a la quàntica".

D'una banda, se'n poden generar a una velocitat molt més alta. I, de l’altra, és essencial poder comprovar la qualitat dels nombres aleatoris generats abans de fer-los servir. "El hardware de Quside verifica en temps real que els nombres aleatoris són segurs", afirma Abellán.

Computació quàntica

Una de les grans apostes de la computació del futur passa per la computació quàntica. Gràcies als principis de superposició i entrellaçament, els ordinadors quàntics permetrien fer operacions per a les quals els ordinadors clàssics trigarien un temps massa llarg. Tot i que els ordinadors quàntics que executin un gran ventall d’aplicacions encara estan a uns anys vista, dispositius a petita escala ja s’utilitzen per resoldre alguns problemes concrets. "Els ordinadors quàntics encara no tenen una gran practicitat per a aplicacions reals. Però sí que són pràctics per resoldre alguns problemes acadèmics", explica Marta Estarellas, CEO de Qilimanjaro.

El principal repte al qual s’enfronten els desenvolupadors d’ordinadors quàntics és que aquests són molt sensibles als errors. Qualsevol pertorbació fa que el sistema perdi les seves propietats quàntiques i deixi de ser útil. "Perquè els ordinadors quàntics funcionin es necessiten protocols de correcció, que requereixen que els xips siguin molt grans. Això dificulta encara més l’escalat per poder demostrar que superen els ordinadors convencionals", explica Estarellas.

Per aquesta raó, Qilimanjaro aposta per una tecnologia diferent. "Seguim una via alternativa. El que fem són ordinadors quàntics analògics, que codifiquen la informació quàntica amb una modulació contínua dels paràmetres del xip", explica Estarellas, que comenta que això permet evitar gran part dels errors i ser una mica més robustos. "Aquesta tecnologia portarà avantatges en un marc de temps més curt".

Tot i que aquest tipus de tecnologies encara tenen unes aplicacions limitades, ja són comercials. "Hem venut ordinadors quàntics a Abu Dhabi i n’hem venut dos al BSC", comenta Estarellas, que afegeix que “aquests són els primers ordinadors quàntics a què s'ha donat accés aquí". Aviat Qilimanjaro n'entregarà un de nou al BSC basat en tecnologia analògica. Des de l’àmbit docent i de recerca universitària, Julià, professor de física de la UB, destaca la importància de disposar-ne d’un: “Necessitem gent que comenci a saber treballar amb ells”.

Simular el món quàntic

Una de les principals aplicacions de la computació quàntica és la simulació de sistemes quàntics. A causa de la seva naturalesa, aquests sistemes no es poden descriure amb precisió mitjançant tecnologies clàssiques. "Per simular el món quàntic necessitem una lògica quàntica", diu Estarellas, per a qui això portarà a la creació de nous fàrmacs, nous materials i nous combustibles.

Una altra àrea d’aplicació actual té a veure amb la resolució de problemes d’optimització. “Per exemple, en un hospital podem optimitzar els horaris rotatius del personal sanitari o la gestió dels llits per tal de maximitzar els recursos”, destaca Estarellas.

Finalment, la simbiosi entre la intel·ligència artificial i la computació quàntica pot donar també fruits molt interessants. "Una de les grans dificultats del creixement de la intel·ligència artificial és que requereix molts recursos computacionals –diu Estarellas–. En un futur, la computació quàntica podria ajudar a reduir aquest impacte".

“La computació quàntica serà realment potent quan pugui fer coses que siguin completament diferents de les que pot fer un ordinador clàssic”, declara Torner. “D'aquí cinc anys podríem tenir ordinadors quàntics específics que serveixin per resoldre problemes concrets que tinguin interès econòmic”, afegeix Estarellas.

Com és l'ecosistema quàntic català?

- Quàntica – Vall Mediterrània de la Ciència i les Tecnologies Quàntiques

Catalunya ha posat recentment en marxa el projecte Vall de la Quàntica. Amb una inversió de 43 milions en cinc anys, l'objectiu és posicionar-se a l’avantguarda en recerca i desenvolupament de tecnologies quàntiques. Aquest projecte està liderat per l’ICFO i condensa tot l’ecosistema quàntic català format per universitats, centres de recerca i empreses tecnològiques.

- Centre Nacional de Supercomputació- Barcelona Supercomputing Center (CNS-BSC)

El BSC és el centre nacional de supercomputació de l’estat espanyol. Especialitzat en computació d'altes prestacions, gestiona el conegut MareNostrum, un dels superordinadors més potents d'Europa. Amb la recent adquisició d’un ordinador quàntic, anomenat ONA, el BSC jugarà un paper clau en el desenvolupament d’aquesta tecnologia, cridada a ser revolucionària.

- Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)

L’ICFO, situat a Castelldefels, és un dels centres de recerca més punters a escala mundial en l’estudi de les propietats fonamentals de la llum i la seva interacció amb la matèria, tant des del punt de vista teòric com experimental i aplicat en àrees que van des de les tecnologies de la informació fins a l’energia i la salut. Diverses tecnologies desenvolupades a l’ICFO han donat lloc a spin-offs com LuxQuanta i Quside. "Les start-ups són el vehicle principal per transferir un portafolis de coneixement a una entitat que té l’objectiu de desenvolupar-la, madurar-la i portar-la al mercat", comenta el físic Torner, per a qui "és un mecanisme molt eficaç per dur a terme transformacions econòmiques".

- LuxQuanta

Va néixer com un spin-off de l’ICFO l’any 2021 i està especialitzada en encriptació quàntica. La seva tecnologia facilita la distribució de claus quàntiques que permeten telecomunicacions segures.

- Quside

Quside és una altra de les empreses nascudes l’any 2017 arran d’una tecnologia desenvolupada a l’ICFO. Aquesta empresa produeix dispositius que generen nombres aleatoris quàntics d’alta qualitat i fiabilitat que tenen aplicacions variades en la computació d’alt rendiment i en les telecomunicacions.

- Qilimanjaro

Fundada l’any 2019, Qilimanjaro és una empresa que fabrica ordinadors quàntics digitals i analògics. Ha construït i instal·lat els ordinadors quàntics del BSC i és una de les poques empreses en computació quàntica a Europa.

- Catalonia Quantum Academy (CQA)

La CQA és una plataforma col·laborativa dintre del marc de la Vall de la Quàntica que coordina els esforços per reforçar l’educació, la formació i el desenvolupament professional en ciència i tecnologia quàntiques. "La Catalunya Quantum Academy també ens ha servit per muntar un laboratori avançat de quàntica per al màster, però també l'hem fet servir en algunes assignatures de grau", explica Bruno Julià, professor de física a la UB i coordinador del màster en quàntica.