L’Europa quàntica

[dropcap letter=”A”]

ra mateix s’està gestant la segona revolució quàntica, en ebullició als laboratoris científics de tot el món desenvolupat. És una estratègia de llarg recorregut, que acabarà impactant en àrees importants de les comunicacions i la supercomputació, i per tant dels sectors econòmics que se’n deriven. Els primers productes apareixeran en els àmbits de la ciberseguretat, els sensors ultraprecisos, les tècniques d’imatge i la metrologia. Pel que fa a la computació, ben aviat es demostrarà l’anomenada supremacia quàntica: és a dir, que una màquina basada en algunes dotzenes d’elements quàntics farà una operació que cap màquina clàssica actual pugui dur a terme. Arribats a aquest punt, encara quedaran formidables desafiaments per resoldre fins a arribar a construir màquines capaces d’efectuar computacions d’interès pràctic, que necessiten milers d’elements. Es parla d’una revolució, d’un canvi de paradigma, perquè es tracta de fer ús de les parts més íntimes de les lleis quàntiques, les que fan possible els “gats de Schrödinger”, en què la matèria es troba en la superposició simultània de múltiples estats, o la realització de la teleportació d’informació —encara que no de matèria—. Són les lleis que neguen l’existència de la realitat objectiva a escala atòmica i les que, en principi, permeten dur a terme computacions massivament paral·leles, que són impossibles per a ordinadors tradicionals de qualsevol mida imaginable. Europa vol tenir un paper destacat en aquesta segona revolució quàntica.

Primera i segona revolució quàntica

La física quàntica es va descobrir i desenvolupar durant les primeres dècades del segle XX. Alguns dels seus conceptes i, sobretot, les seves implicacions a l’hora d’interpretar la realitat són fortament contraintuïtius des d’una perspectiva de la vida quotidiana. Tot i així, ben aviat van obtenir èxits espectaculars a l’hora d’explicar l’estructura de la matèria. De fet, l’aplicació de les lleis de la física quàntica va fer possible el que es coneix com a primera revolució quàntica, que entre altres coses va

permetre la comprensió i utilització dels materials semiconductors i, per tant, l’aparició del transistor i de l’electrònica com avui la coneixem. Un altre producte de la primera revolució quàntica és el làser i totes les seves aplicacions. El transistor i el làser, cor de l’electrònica i la fotònica, respectivament, han fet possible les tecnologies de la computació i les comunicacions actuals, i per tant la societat digital, connectivitat arreu, internet global i robotització creixent. És a dir: elements centrals de la civilització actual. A la vegada, part dels aparells d’imatge avançada i de diagnosi utilitzats rutinàriament en els hospitals, com ara els aparells de ressonància magnètica i els de tomografia —per exemple, els TAC i els PET—, així com instrumental quirúrgic o algunes teràpies per a oncologia, són producte de les tècniques derivades de la primera revolució quàntica.

Ara comença la segona, en la qual es tracta d’utilitzar les propietats més genuïnes de les lleis de la física quàntica, que són les que descriuen el món a escala atòmica, per dur a terme funcions impossibles d’assolir amb tecnologies dissenyades a partir de les lleis tradicionals que descriuen el món a escala macroscòpica. Les aplicacions que actualment s’estan desenvolupant se centren en la creació dels sistemes de comunicacions i criptografia quàntiques, ordinadors i simuladors quàntics, i diversos sensors i aparells especialitzats de metrologia. És un potencial que té com a fonament les propietats més delicades de la matèria a escala atòmica, delicadesa que al mateix temps constitueix el desafiament més important per desenvolupar les tecnologies associades a escala industrial.

Alguns dels científics que van descobrir la física quàntica van expressar dubtes que la humanitat pogués controlar mai la matèria amb el grau de precisió que requereix la segona revolució quàntica. Tot i així, durant les últimes dècades s’han fet avenços inimaginables a mitjan segle passat. En concret, avui als laboratoris d’investigació es treballa de manera quotidiana amb uns pocs sistemes atòmics individuals i es pot fer que evolucionin de manera controlada seguint les lleis de la física quàntica. Aquesta capacitat, que ha donat una dotzena de premis Nobel durant els últims anys, és la que permet abordar el repte de traslladar les tecnologies quàntiques a la industria i a la societat durant el segle XXI.

‘Flagship’ europeu de tecnologies quàntiques

L’abril de l’any 2016, en resposta al treball coordinat desenvolupat durant més d’una dècada per una gran part de la comunitat científica de l’àmbit de tot el continent, i que va cristal·litzar en la publicació de l’anomenat Quantum Manifesto, la Comissió Europea va anunciar la creació d’un Quantum Technologies Flagship (QTF) com a part del seu programa Future and Emerging Technologies. El QTF pretén mobilitzar més de mil milions d’euros, 500 dels quals els aportarà la Comissió Europea durant deu anys a partir dels primers mesos del 2019, i la resta provindran dels estats i regions membres i de les indústries. Tot plegat té unes aspiracions generals semblants a les dels altres dos flagships ja existents, dedicats a les aplicacions dels materials del tipus grafè i a la comprensió del cervell humà.

El QTF té com a objectiu situar Europa a la primera línia de les tecnologies quàntiques, en col·laboració quan es pugui —i en competició quan calgui— amb iniciatives igualment ambicioses que s’havien iniciat prèviament al Regne Unit, amb inversions comparables a les que ara ha compromès la Comissió Europea, i amb altres que s’han iniciat als EUA i a la Xina. En concret, la Xina ha fet diverses apostes estratègiques, concretament per aconseguir una xarxa de comunicacions entre satèl·lit amb protecció quàntica que ja ha donat rendiments de gran visibilitat. El programa de comunicacions quàntiques entre satèl·lits s’havia iniciat a l’Agència Europea de l’Espai, que va dur a terme diverses demostracions preliminars: per exemple, a les Illes Canàries. Ara els avenços xinesos ens fan veure que Europa i els EUA han de reprendre el programa amb vigor si no volen quedar-se enrere.

El QTF estarà organitzat en quatre pilars verticals, dedicats a comunicacions, computació, simuladors, i sensors i metrologia, i un pilar horitzontal de ciència bàsica adreçat a explorar contínuament noves idees i conceptes. A més, els pilars verticals, que tindran objectius específics i ben quantificables, estaran lligats entre si i també amb els eixos d’enginyeria, desenvolupament de programari, divulgació a la societat i a les empreses, i formació de personal. Amb eines i conceptes diferents dels actuals, la formació de personal és particularment important perquè, quan les tecnologies quàntiques dissenyades en el marc del QTF arribin a les empreses, generaran nous llocs de treball per a professionals d’enginyeria, gestió de dades i proveïment de serveis.

Comunicacions i computació quàntica

A mitjà termini, un dels objectius del QTF, amb fases graduals a partir del 2020, és la creació d’una internet quàntica, formada per xarxes de comunicacions que disposaran d’una capa addicional de protecció de la privacitat basada en elements quàntics. La seguretat i la privacitat en les comunicacions i transaccions són d’una importància capital tant per a la ciutadania com per a clients, empreses o governs, sobretot en el context de les societats massivament digitals, interconnectades i hipercomunicades actuals i futures. A mitjan la propera dècada les noves tecnologies podrien tenir disponibilitat en una dimensió de xarxes metropolitanes i molts dels elements essencials de la internet quàntica podrien començar a ser realitat al final del QTF.

Diferents tipus de sensors quàntics i aparells de metrologia ultraprecisos ja estan disponibles en fase de prova de concepte als laboratoris d’investigació. Els primers detecten minúsculs senyals elèctrics i magnètics o proporcionen nous sistemes d’extracció d’informació de l’entorn i obtenció d’imatges. Els segons permeten, per exemple, la construcció de sistemes de sincronització cada vegada més precisos. Cap al final de la propera dècada s’espera que el desenvolupament comercial d’aquesta àrea impacti en l’anàlisi de materials, els sistemes de navegació o els de sincronització de xarxes de comunicacions i financeres, entre d’altres.

A més llarg termini es podria arribar als ordinadors i simuladors quàntics. Actualment ja hi ha prototips que es basen en uns pocs elements quàntics, encara que tan sols tenen ús en operacions trivials i sense utilitat computacional pràctica. La computació quàntica és un paradigma diferent de la computació digital convencional. Els ordinadors quàntics aprofiten la capacitat dels sistemes quàntics d’evolucionar simultàniament en diversos estats. En lloc d’utilitzar bits que tenen el valor 0 o 1, es basen en qbits —bits quàntics—, que consisteixen en la superposició d’ambdós estats i, processant aquests estats, un ordinador quàntic pot calcular algunes operacions de manera exponencialment més ràpida que un de clàssic. És a dir: els ordinadors quàntics de capacitat suficient serien capaços de fer càlculs de complexitat inassumible per a un ordinador convencional. Val a dir que els fenòmens físics de partida són extremadament delicats i per tant, construir aquestes màquines en una mida gran és un repte formidable. S’espera que els simuladors quàntics arribaran primer, potser al final de la propera dècada. Es tracta de màquines quàntiques analògiques que imiten el comportament d’un sistema quàntic concret. En el marc del QTF, s’intentarà desenvolupar, entre d’altres, simuladors del comportament de molècules complexes d’interès per dissenyar nous fàrmacs i simuladors de la possible existència de materials superconductors a temperatura ambient.

Oportunitat empresarial

Les grans companyies del sector de la computació, com ara Microsoft, Intel o IBM, així com les que centren la seva activitat en la manipulació d’ingents quantitats de dades, com ara Google, han fet inversions estratègiques en computació quàntica i hi mantenen un posicionament actiu. També passa amb les empreses que comercialitzen components per a telecomunicacions. A Europa, paradoxalment, una de les més actives és la de matriu xinesa Huawei. A la vegada, empreses d’altres sectors, com ara Siemens, Bosch, Thales o Airbus, mantenen un interès decididament proactiu en el desenvolupament de les tecnologies quàntiques.

En aquest context, és important destacar el potencial de les tecnologies quàntiques per al llançament d’empreses de nova creació. Les aplicacions en ciberseguretat són un exemple paradigmàtic. Així mateix, cal tenir present que les tecnologies quàntiques es basen en alguns elements diferencials envoltats per tot tipus d’altres tecnologies i materials sense relació amb la quàntica. Així doncs, en el QTF s’esperen també avenços importants en tecnologies clàssiques que tindran impacte directe en les indústries d’altres àmbits. Els nous materials en són un bon exemple.

En un món globalitzat com l’actual, el potencial d’aprofitament regional o nacional dels avenços tecnològics per a la creació de riquesa i llocs de treball depenen, entre altres factors, del mateix nivell de competitivitat internacional. El QTF presenta una oportunitat única de formar part d’un projecte paneuropeu que generarà importants spill overs. Els principals països europeus han compromès significatives inversions nacionals per poder disposar d’equips capdavanters que crearan les peces clau del coneixement i, per tant, la propietat intel·lectual i industrial corresponent. Globalment, el nostre país parteix d’una posició menys sòlida, però malgrat tot disposa de puntes de llança que cal aprofitar. Algunes empreses nacionals haurien de participar activament en el QTF a través dels projectes que s’hi duran a terme. Fins i tot per a les empreses que ara mateix semblen allunyades de les tecnologies quàntiques seria recomanable mantenir un interès en els avenços que es vagin produint, des d’un horitzó d’oportunitats d’aplicació que són difícils de predir avui i que sens dubte sorgiran. Al cap i a la fi, com afirmen que deia Niels Borh, un dels principals creadors de la física quàntica, fer prediccions és difícil, especialment del futur.