Què són les tecnologies quàntiques?

Què ha fet –i què farà– la física quàntica per a tu

Física29/08/2018Jordi Mur

física quàntica

tecnologies quàntiques

nanotecnologia

Unió Europea

finançament

Sabies que el teu telèfon mòbil no funcionaria sense la física quàntica? Que sense ella no hauríem sabut desenvolupar la comunicació per fibres òptiques que ens permet veure en streaming els vídeos de YouTube amb gran qualitat? O els aparells de ressonància magnètica dels hospitals? La física quàntica ens ha donat tot això —però això no és més que el principi–: en les properes dècades esperem un reguitzell de noves tecnologies quàntiques que revolucionaran les nostres vides de maneres que costen d’imaginar.

Els telèfons mòbils són tecnologia
quàntica de primera generació.

Molts de nosaltres no en som conscients, però gran part de la tecnologia que utilitzem cada dia ja és quàntica: els xips en ordinadors i telèfons mòbils, els làsers que fem servir per llegir un codi de barres al supermercat, la fibra òptica que ens duu internet d’alta velocitat a casa, o la ressonància magnètica que esperem que ens aclareixi si Messi té només una sobrecàrrega o el temut trencament muscular. D’una manera o altra, totes aquestes tecnologies es basen en la comprensió de la matèria, la llum i sobre com interaccionen, la qual hem assolit al llarg dels darrers cent anys i escaig a través de la física quàntica; són tecnologies quàntiques «de primera generació».

La revolució que ve

Malgrat l’enorme impacte que totes aquestes tecnologies han tingut en les nostres vides, els investigadors que treballem en la física de la informació quàntica pensem que els canvis que hi ha per davant seran encara més grans. Ho pensem perquè, a la vegada que es desenvolupaven el làser o els xips de silici, la recerca bàsica ha impulsat avenços tècnics per al control i la mesura de sistemes més i més petits. Aquestes tècniques són avui prou madures per, en el futur proper, donar lloc a tota una nova família de tecnologies que trauran profit de fenòmens inherentment quàntics, com ara el principi de superposició o l'entrellaçament quàntic.

flickr-ibm_research_zurich-25775432567-ibm_q_dilution_refrigerator_detall-cc_by-nd_2.0_graham_carlow.jpg

Refrigerador per dilució del prototip d'ordinador quàntic amb circuits superconductors d'IBM (Crèdit: Graham Carlow CC BY-ND 2.0)

Per exemple, el principi de superposició és al cor de nous sensors que estem desenvolupant i que permetran "veure" la nostra activitat cerebral com no l’hem vista fins ara, o sondar el subsòl i determinar si hi ha una canonada o cavitat amagada que podria posar en perill la construcció d’un edifici o una carretera –una tecnologia d’evident interès per a la indústria de la construcció–. Per una altra banda, l’entrellaçament quàntic donarà lloc a una manera radicalment nova de protegir la privacitat i integritat de les comunicacions.

La perspectiva d’aquestes noves tecnologies quàntiques ens fa afirmar que som a l’inici de la segona revolució quàntica, que ha atret l’interès no només de científics i friquis, sinó també de governs i grans empreses i inversors. Google, IBM o Microsoft han establert laboratoris propis per desenvolupar ordinadors quàntics, amb pressupostos de desenes de milions d’euros, mentre que la Xina està invertint uns 10.000 milions d’euros en un laboratori nacional dedicat a les tecnologies quàntiques de comunicacions i detecció.

Europa té una llarga trajectòria en recerca bàsica en informació quàntica, amb líders mundials com Ignacio Cirac, nascut a Manresa i que des de fa anys desenvolupa la seva recerca des de l’institut Max Planck d’Òptica Quàntica a Alemanya. Per treure el màxim rendiment d’aquest coneixement i dels seus científics i tècnics altament formats —i evitar quedar-se enrere en una cursa estratègica amb la Xina o els Estats Units—, la Unió Europea va anunciar el maig de 2016 una iniciativa paneuropea de gran escala de recerca en tecnologies quàntiques. Anomenada «Quantum Flagship», preveu invertir uns mil milions d’euros en els propers deu anys en quatre àrees prioritàries: comunicacions quàntiques, computació quàntica, simulació quàntica, i detecció i metrologia quàntiques. En entrades properes aniré desgranant què entenem per cadascun d’aquests dominis de la recerca i la innovació. Ara només voldria donar uns apunts sobre què podem esperar dels propers anys, i com la nostra recerca i indústria en aquestes àrees pot contribuir-hi.

Tecnologies quàntiques a casa nostra

A Catalunya comptem amb grups reconeguts internacionalment en els camps de la comunicació, la computació i la simulació quàntiques. Com a exemple, podem mencionar que un dels membres acadèmics del Comitè Director d’Alt Nivell (‛High Level Steering Committee’, HLSC) que ha aconsellat la Comissió Europea en el disseny de la Quantum Flagship és Lluís Torner, director de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO). L’ICFO és un institut de renom mundial, amb més de deu anys de trajectòria en la recerca en tecnologies quàntiques, i amb importants connexions amb el teixit industrial. Més recentment, el Barcelona Supercomputing Centre-Centre Nacional de Supercomputació (BSC) ha establert una nova línia de recerca en computació quàntica, amb un grup teòric i un d’experimental, enfocat a desenvolupar la computació quàntica amb circuits superconductors quàntics. Tot això sense oblidar la recerca en nanotecnologies i nous materials, on destaquen l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC).

Qui fornirà els pics i les pales de la revolució quàntica?

Si aquests exemples són fonamentalment de recerca bàsica, per fer realitat la segona revolució quàntica la implicació del sector industrial serà clau. Parlem, d’una banda, d’empreses tecnològiques amb esperit emprenedor que vulguin tenir un paper de lideratge en aquest sector. A Espanya, Telefónica participa en la recerca en comunicacions quàntiques, i recentment ha completat un assaig pioner de criptografia quàntica en col·laboració amb la Universitat Politècnica de Madrid i Huawei. Al País Valencià tenim VLC Photonics, una empresa sorgida de la Universitat Politècnica de València, dedicada a la innovació en tecnologies de comunicació, detecció i metrologies òptiques i la biofotònica.

Cal impulsar, d’altra banda, empreses que forneixin els nous materials i serveis subjacents a les tecnologies quàntiques. En el món anglosaxó es parla sovint dels inversors en «picks and shovels» ('pics i pales'), per analogia amb els que es van fer rics durant la febre d’or del segle XIX no pas per haver trobat or, sinó proveint dels materials necessaris a les desenes de milers d’immigrants que es van desplaçar al nord-oest americà. Per a les tecnologies quàntiques, faran falta fibres òptiques d’alt rendiment, detectors de fotons individuals, xips superconductors, cel·les de vidre on confinarem gasos atòmics per mesurar camps magnètics, etc. Per avançar en aquesta direcció, a Barcelona tenen la seva seu el think tank BarcelonaQbit i Entanglement Partners SL, una consultora especialitzada en projectes de tecnologies i que té com a socis investigadors de diversos dels laboratoris mencionats més amunt.

En resum, el nivell de control i comprensió de la matèria i la llum que ja hem assolit amb la física quàntica ens permet albirar el naixement de tecnologies que transformaran radicalment la nostra forma de viure al llarg de les properes dècades. Els investigadors i tècnics de casa nostra estan en una molt bona posició per contribuir-hi, tant desenvolupant materialment aquestes tecnologies com formant el personal altament especialitzat que requeriran. Per fer-ho, necessitaran el suport de les administracions públiques de tots els nivells i també d'inversors privats.

Us animo a saber-ne més consultant els enllaços suggerits, i en les properes entrades d'aquest blog!

RECURSOS I ENLLAÇOS

Notícies i informació general: