La recerca en informació quàntica estudia com podem codificar i transmetre informació mitjançant partícules quàntiques, com fotons de llum o àtoms individuals. És un camp amb una explosió apassionant de noves idees i aplicacions en el món de la física i l’enginyeria. En el món de la computació, això es tradueix en noves maneres d’analitzar informació i de construir ordinadors, o més ben dit, potents simuladors capaços de replicar entorns molt més complexos que el que poden fer els ordinadors. Si aquestes idees i aplicacions quàntiques es fan realitat, canviarà dràsticament la manera com encriptem la informació així com el nostre potencial per a simular des de l’evolució d’una malaltia al viatge d’una nau espacial; la nostra capacitat per optimitzar la logística d’una ciutat o del comerç internacional a gran escala; o les habilitats de noves eines d’intel·ligència artificial.
En la teoria de la informació clàssica, la manera més habitual d’empaquetar la informació és en una combinació de 0s i 1s. Ens ho podem imaginar com un interruptor, un bit, que pot tenir dos estats: apagat (0) o encès (1).
En la teoria de la informació quàntica, en canvi, podem codificar la informació en un sistema més complex, el qbit, un estat quàntic que és una combinació o superposició d’aquests dos estats. El qbit pot, a priori, tenir una infinitat d’estats que podem imaginar com tots els punts sobre una esfera.
2. La Comunicació Quàntica
En general, parlem de comunicació quàntica quan hi ha transmissió d’informació aprofitant els efectes quàntics, que només són evidents a escales nano. A banda de la superposició, dos altres fenòmens són especialment importants: l’entrellaçament i la no-localitat.
Quan dues partícules –o dos estats quàntics– estan entrellaçades, el que li passa a una està lligat al que li passa a l’altra, malgrat poden estar separades per grans distàncies. Dit d’una altra manera, si mesurem l’estat d’una de les partícules, també coneixerem l’estat de l’altra.
El que ens diu la no-localitat és que la informació disponible en l’entorn local, allà on fem una mesura quàntica, no depèn només d’aquest entorn local, sino que està també influïda per efectes a grans distàncies,i per tant la informació local no és la única que veiem quan fem una mesura. Aquesta no-localitat sovint és el resultat de l’entrellaçament de dos estats quàntics.
Gràcies a aquestes propietats, els algoritmes quàntics podran certificar l’aleatorietat de processos o càlculs, una de les limitacions de la computació actual en millores de ciberseguretat o en la simulació de les propietats de nous materials i processos industrials basats en quàntica. Aquesta és precisament una de les línies de recerca de l’investigador ICREA Antonio Acín de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), que es basa en el que es coneix com la violació de les inequalitats de Bell, una metodologia per demostrar si un procés és realment quàntic i, per tant, té una aleatorietat intrínseca que no pot reproduir-se a partir de la física clàssica.
3. La Computació Quàntica
Aprofitant-nos de propietats com la superposició i l’entrellaçament, però també de la interferència quàntica, que permet amplificar la probabilitat de “bones solucions” entre un conjunt de solucions possibles, podem desenvolupar algoritmes quàntics que fan multitud de càlculs en paral·lel i testegen alhora moltes solucions a un mateix problema.
En aquests algoritmes, una de les peces claus és la manipulació i lectura dels estats quàntics que codifiquen la informació, com per exemple les propietats d’un fotó o d’un àtom. La recerca de l’investigador ICREA Sergio Valenzuela a l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) permet crear dispositius dissenyats a mida per aquests algoritmes, siguin de correcció d’errors o optimització i simulació de processos. El seu camp d’expertesa es la spintrònica, que fa servir no només la càrrega elèctrica de les partícules –que és la base de l’electrònica clàssica– sinó també el seu ‘spin’ –l’orientació– per a emmagatzemar i processar informació. Els electrons, per exemple, tenen dos possibles spins: up i down, que ens podem imaginar com imants molt petits que apunten amunt o avall dins de l’àtom.
Amb la spintrònica podrem dissenyar dispositius quàntics que superin amb escreix les funcionalitats dels ordinadors i telèfon mòbils actuals, com també els microcontroladors de seguretat en cotxes o els processos d’automatització industrial.
4. Els ordinadors quàntics
Ras i curt, un ordinador quàntic és un dispositiu que fa servir els principis de la física quàntica per funcionar. N’hi ha de diferents tipus, però potser els més coneguts són els de qbits superconductors i els de qbits d’ions atrapats.
Els primers fan servir circuits superconductors que treballen a temperatures molt baixes, per sota dels 200 graus sota zero, o a prop del que es coneix com el zero absolut. Aquesta és la tecnologia més madura en l’actualitat, la que es fa servir en el superodinador instal·lat recentment al BSC a Barcelona i també empreses com IBM o Google.
En el cas de la tecnologia d’ions atrapats, es manipulen àtoms carregats amb làsers. D’aquesta manera els podem aturar i confinar en una línia o una xarxa de partícules, on cada ió actua com a un petit imant en el qual es codifica la informació. Aquesta tecnologia l’usen companyies com IonQ o Honeywell en el desenvolupament dels seus ordinadors quàntics.
Però encara hi ha altres opcions, com els simuladors quàntics d’àtoms neutres ultrafreds. La Leticia Tarruell, investigadora ICREA a l’ICFO, és una de les pioneres d’aquest camp. Ella va ser la primera a muntar un laboratori d’àtoms freds a l’Estat, on fan servir principalment àtoms d’estronci, a temperatures també molt baixes i amb manipulació làser, per a crear i controlar sistemes de moltes partícules per a la simulació quàntica avançada.
5. Ciberseguretat a prova de quàntica
Tots els missatges, documents i aplicacions encriptades que coneixem podrien desxifrar-se en segons si avui tinguéssim un ordinador quàntic. Pensant precisament en la ciberseguretat del futur, l’investigador ICREA Valerio Pruneri de l’ICFO ha desenvolupat la tecnologia CV-QKD, de Distribució de Claus Quàntiques de Variables Contínues, per les seves sigles en anglès.
En cada cas, la clau es codifica en estats entrellaçats de polarització de fotons individuals, que són la combinació de quatre polaritzacions bàsiques: vertical, horitzontal, diagonal i antidiagonal.
El protocol de ciberseguretat en aquest cas usa dos nous fenòmens quàntics diferents: la indeterminació o el fet que no podem saber l’estat d’una partícula fins que el mesurem, i ja sabem que degut a l’entrellaçament aquesta mesura afecta les altres partícules entrellaçades; i el teorema de no-clonació, o la impossibilitat de copiar estats quàntics. Com que qualsevol intent d’espionatge requereix interceptar i mesurar aquests fotons, i com que no podem primer fer-ne una còpia perquè no es noti, un atac de ciberseguretat sempre alterarà irreversiblement els seus estats quàntics i podrà ser detectat.
demanem a cada investigador que ens seleccionin un paper
