El impacto global de las tecnologías cuánticas: del estudio del átomo a la encriptación de archivos

Una serie de actividades se realizarán en Chile del 11 al 17 de abril para celebrar la Semana de las Tecnologías Cuánticas, que en su primera versión promete dar a conocer cómo estos desarrollos han desafiado la frontera de la física y de lo que hasta hoy conocemos en sistemas digitales.

La actividad se realiza en el marco del Año de la Ciencia y las Tecnologías Cuánticas, hito declarado por Naciones Unidas para celebrar los 100 años desde el surgimiento de la mecánica cuántica y también abordar los desafíos que implican estos avances hacia el futuro.

Según el documento “Recomendaciones y desafíos para el fortalecimiento del ecosistema cuántico en Chile” (2024) del Ministerio de Ciencias, las tecnologías cuánticas son desarrollos tecnológicos que tienen por base los principios de la mecánica cuántica, y que incluyen aristas como la computación e información cuántica, la metrología cuántica y las comunicaciones cuánticas.

Estas tecnologías prometen transformar sectores como salud, finanzas, logística, ciberseguridad e industria, al ofrecer mejoras
significativas en eficiencia, precisión y seguridad. El mercado global de estas tecnologías proyecta alcanzar cientos de miles de millones de dólares para 2040.

Puedes ver todas las actividades de la Semana de las Tecnologías Cuánticas AQUÍ.

Origen de la teoría

Se estima que la primera formulación de la mecánica cuántica fue gracias el alemán Max Planck en 1900, ratificada luego por su compatriota Albert Einstein. En los años 20 hubo otros avances a manos del francés Louis-Victor de Broglie y el austriaco Erwin Schrödinger.

“Si hay algo que no se puede explicar en términos simples es la mecánica cuántica. No se trata solamente de un problema técnico, como ocurre en la mayoría de las teorías físicas, que usualmente requieren matemáticas complejas, que hay que aprender en la universidad, cálculo, álgebra, etc. sino que no se puede entender de manera mucho más profunda porque no hay nada que la ciencia haya encontrado que escape tanto al sentido común”, explica el físico Andrés Gomberoff, decano de la Facultad de Ciencias, Ingeniería y Tecnología de la Universidad Mayor, además de autor del newsletter Universo Paralelo de El Mostrador.

En palabras simples, Gomberoff explica que la mecánica cuántica surgió de la necesidad de entender el átomo, y es la teoría que permite describir el mundo microscópico a nivel molecular, atómico y subatómico.

Para este físico, lo que distingue a esta teoría de la física de Isaac Newton, que prevalecía hasta entonces, se vincula al tema de las probabilidades.

“Cuando lanzo una moneda no conozco las condiciones precisas, y por lo tanto no puedo calcular usando las ecuaciones de Newton qué va a pasar con la moneda cuando termine. Siempre un problema de conocimiento. En cambio en mecánica cuántica, por primera vez, las probabilidades entran de una manera fundamental”, ejemplifica.

Otra cosa fundamental de esta teoría es que rompe con un determinismo existente hasta entonces, y eso “no sólo para la física, sino que para la epistemología, para la filosofía”.

“Cala muy hondo en la historia del pensamiento humano. Porque rompe con algo que para nosotros en la ciencia siempre fue innegable, que es el determinismo. Que si yo sé con suficiente precisión cómo está el mundo hoy, voy a saber también con precisión cómo está mañana. Ahora la mecánica cuántica dice no, no podemos. Porque romper con el determinismo es una cuestión muy radical. Y eso ocurrió hace cien años. Y es esa definitivamente la distinción más grande entre la mecánica clásica, que era consistente con el determinismo, y la mecánica cuántica”.

Evolución

Al ser consultado sobre la evolución de esta teoría, cuenta que si al principio giraba en torno a qué pasaba con los electrones en los átomos, luego empezó a abarcar otras áreas, como el campo eléctrico, el campo magnético y las ondas de luz.

“Ese es el trabajo de (el físico estadounidense) Richard Feynman, que ganó el Premio Nobel por la formulación de la que llamamos hoy día electrodinámica cuántica, que es la teoría que describe la interacción entre la materia y la luz. Luego comenzamos a entender otras fuerzas y lo que nos llevó al modelo estándar en los años 70, 60, 70, que nos permite hoy día entender con una precisión asombrosa las propiedades de todas las partículas elementales, más allá de los átomos, de describir los quarks, el bosón de Higgs”.

En sus palabras, todo eso está en el contexto de la misma mecánica cuántica, pero que se aplica con matemáticas más sofisticadas y con una historia larga, con muchos trucos que “hemos ido aprendiendo”.

“Así que en ese sentido la mecánica cuántica sigue siendo la misma, pero su rango de aplicabilidad y la comprensión que tenemos es mucho más grande. Lo único que nos hace falta, y la gran pregunta de la física teórica, es cómo metemos la fuerza de gravedad en este contexto cuántico. Eso no se ha podido hacer”.

Hallazgos

¿Cuáles son los principales hallazgos?

“Al comienzo, por razones de matemáticas, fue más fácil entender los átomos livianos, como el hidrógeno, el helio. Después, con el advenimiento de los computadores, que hicieron mucho más fácil hacer cálculos más complejos, se pudieron comprender átomos y moléculas más complejas. Una cuestión que, de algún modo, unificó la física y la química”.

Hoy, gracias a esta teoría, es posible “entender la tabla periódica de manera perfecta, y reacciones químicas, y todas las propiedades de las moléculas, desde las más simples hasta las más complejas. Luego comenzamos a comprender la física subatómica, las propiedades, por ejemplo, del electrón. Pudimos, con la teoría de (el francés Paul) Dirac, predecir la existencia de la antimateria“.

“Se pudo entender luego otras partículas elementales. Se construyó la teoría de las fuerzas nucleares. La cromodinámica cuántica, que describe las interacciones entre los quarks y las reacciones nucleares. Las fuerzas débiles también, más o menos por las mismas épocas que describen la radiación de los núcleos atómicos. En resumen, la mecánica cuántica fue capaz de predecir y explicar casi cualquier fenómeno atómico y subatómico que podamos observar”.

Aplicaciones prácticas

Y si bien hasta hace poco no eran muchas las aplicaciones prácticas, Gomberoff explica que en los años 50 hubo una gran revolución con el invento del transistor.

El transistor, que reemplazó a los tubos de vacío, es un elemento que hoy está en todas partes: en los teléfonos celulares, en los computadores y en casi cualquier objeto electrónico. Está compuesto de unos materiales que se llaman semiconductores, y la mecánica cuántica permitió comprender su funcionamiento, “y esta comprensión por supuesto ayudó a producir mejores materiales semiconductores”.

“Lo que está en las bases de la gran revolución electrónica es la miniaturización de sus componentes. Y no solo en el ámbito de los transistores, sino en muchas otras cosas, como las memorias, por ejemplo. Y la aplicación más importante de hoy puede ser la computación cuántica, que es una aplicación que todavía no es comercial, que todavía no se ha podido llevar a una masificación, pero en las cuales hay una inversión enorme porque posibilitaría la creación, o posibilita porque ya existe, la creación de unos computadores con mucha potencia de cálculo porque están basados en una matemática muy distinta a la de los computadores originales”.

Áreas claves

Según el citado documento del Ministerio de Ciencias, hay tres áreas claves de aplicación.

La primera es la computación e información cuántica. Esta propuesta de tecnología innovadora aprovecha las leyes de la mecánica cuántica para explorar nuevos campos de la computación y el almacenamiento, manejo y procesamiento de información.

Utilizando recursos cuánticos como la superposición y el entrelazamiento, promete resolver problemas complejos que superan las capacidades de los computadores clásicos. Durante la década de los 90’ aparecen los primeros prototipos de computadores cuánticos de 2 qubits que son capaces de implementar los primeros algoritmos cuánticos.

La segunda son sensores cuánticos (metrología cuántica). Propone una nueva generación de sensores que aprovecha los principios de la mecánica cuántica para lograr una sensibilidad y precisión sin precedentes en diversas mediciones. Construidos a partir de diferentes sistemas cuánticos, estos dispositivos tienen el potencial de medir magnitudes como gravedad, tiempo y campos electromagnéticos con una sensibilidad muy superior a la de los sensores clásicos.

La tercera son  las comunicaciones cuánticas. Este campo emergente, que ha madurado considerablemente en los últimos años, se divide en tres áreas clave.

Primero, tecnologías como los generadores cuánticos de números aleatorios (QRNG) juegan un papel crucial en la seguridad de las comunicaciones actuales, asegurando la generación de claves criptográficas verdaderamente aleatorias, fundamentales tanto para la protección de datos hoy en día como para la implementación de futuras tecnologías.

En segundo lugar, la criptografía post-cuántica se desarrolla actualmente para resistir los ataques de futuros computadores cuánticos, asegurando la continuidad de la seguridad en la era digital. Finalmente, en el desarrollo de la distribución cuántica de claves (QKD). Esta tecnología ofrece un nivel de seguridad sin precedentes al hacer detectable cualquier intento de interceptación en canales de información.

Además, el campo incluye técnicas avanzadas como la teleportación cuántica4 y la criptografía cuántica, que aprovechan las propiedades únicas de los qubits para habilitar lo que se conoce como el internet cuántico, mejorando tanto la eficiencia como la seguridad en la transmisión de información cuántica y clásica. Estas tecnologías emergentes son fundamentales para la transición hacia un ecosistema de comunicaciones cuánticas más seguro y eficiente.

Sectores

Según el documento, estos tres pilares de tecnologías emergentes tienen el potencial de transformar diversos sectores, tales como salud, diseño de materiales, finanzas, logística, ciberseguridad e industria.

En salud, las tecnologías cuánticas podrían facilitar el desarrollo de medicamentos personalizados mediante simulaciones cuánticas que modelan interacciones moleculares. Estas tecnologías además podrían permitir diagnósticos más precisos (de la mano con propuestas de sensores cuánticos) y terapias avanzadas basadas en la genética, mejorando la eficacia de los tratamientos y la prevención de enfermedades. Además, el desarrollo de sensores ultra precisos para materiales biológicos podría ser una realidad en los próximos años, revolucionando la detección y análisis de biomarcadores y potenciando el diagnóstico temprano y la monitorización continua de la salud.

En materiales, las tecnologías cuánticas podrían permitir el diseño de nuevos materiales con propiedades específicas, como superconductores a altas temperaturas o materiales ligeros y resistentes para aplicaciones en aeroespacial y construcción. Además, la detección precisa de contaminantes en el agua y el aire contribuirá a una mejor gestión ambiental y salud pública.

En finanzas, las tecnologías cuánticas podrían optimizar la gestión de riesgos mediante modelos de simulación cuántica que analizan grandes volúmenes de datos con precisión y velocidad sin precedentes. La detección de fraudes se podrá reforzar por algoritmos avanzados que identifican patrones sospechosos en transacciones financieras en tiempo real.

En logística, las tecnologías cuánticas podrían mejorar la eficiencia de las cadenas de suministro mediante la optimización de rutas y la gestión de inventarios basada en predicciones cuánticas, reduciendo costos operativos y aumentando la eficiencia del flujo de bienes.

En ciberseguridad, las tecnologías cuánticas podrían ofrecer una protección robusta para datos confidenciales y sistemas críticos a través de la criptografía cuántica, proporcionando una seguridad superior frente a amenazas emergentes. La criptografía cuántica, en particular, of rece una solución prometedora para proteger datos y comunicaciones en un entorno digital cada vez más complejo y vulnerable a ciberataques.

Finalmente, en la industria, las tecnologías cuánticas podrían optimizar procesos industriales mediante el análisis de datos y la simulación de sistemas de producción, mejorando la eficiencia, reduciendo costos y elevando la calidad de los productos.