Europa puja al tren de la quàntica
Diversos projectes de recerca intenten avançar en les noves tecnologies que transformaran els esquemes computacionals i de seguretat que funcionen avui
-
Els xips convencionals i els quàntics és molt possible que treballin en el futur al servei de sistemes computacionals híbrids. ICFO. -
La fotònica jugarà un paper crucial en les comunicacions segures de l’era quàntica. ICFO. -
Sergi Abadal, investigador del Departament d’Arquitectura de Computadors de la UPC. UPC.
La quàntica és una de les grans apostes de futur de la Unió Europea. En els darrers anys, s’hi estan dedicant milions d’euros en programes d’investigació (https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/policies/quantum-technologies-flagship) per fer créixer aquesta ciència i trobar les seves possibles aplicacions, la majoria a hores d’ara inconcretes i fins i tot difícils d’imaginar.
Són molts el qui creuen que Europa ja dona gairebé per perdut el tren de la fabricació de xips convencionals, ara en mans dels EUA, la Xina i Taiwan, “però Àustria i Alemanya estan aixecant megafactories d’aquests xips, i França i Espanya també s’ho estan plantejant, amb l’objectiu de poder incrementar la fabricació del 9 al 20% del total global en un parell d’anys”: El cert, però, és que ja és molt complicat que liderin aquest àmbit”, explica Joan Tarradellas, professor d’EADA Business School. En aquest sentit, Lluís Torner, director de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), també creu que “és fonamental fer xips convencionals a Europa” perquè per als quàntics es parla “d’un altre termini”.
Davant d’aquesta posició industrial a priori feble, el que la UE no vol és perdre el negoci –i la geoestratègia política– de la quàntica. “La teoria està bastant entesa, però la pràctica és molt complicada”, comenta Sergi Abadal, investigador del Departament d’Arquitectura de Computadors de la UPC, distingit amb un ajut Starting Grant de l’European Research Council (ERC) per investigar noves maneres de construir processadors informàtics més ràpids i eficients, basant-se en les comunicacions sense fil i aplicant, entre altres tècniques, la informàtica quàntica.
A hores d’ara, el camp en què s’està abocant més investigació és en les comunicacions, “una àrea on també els xinesos ja se situen capdavanters i ja han fet les primeres proves, enviant informació des dels satèl·lits cap a la Terra”, diu Tarradellas. I dins de les comunicacions, preocupa la seguretat.
Criptografia trencada.
Les investigacions d’Abadal s’encaminen a dissenyar arquitectures de computadors radicalment noves, utilitzant tecnologia sense fil –en lloc de cablejar les plaques dels ordinadors– i incorporant cúbits als processadors, amb l’objectiu d’augmentar al menys deu vegades la velocitat, l’eficiència i l’escalabilitat dels sistemes informàtics actuals.
Seguretat.
Aquest sistema de connectivitat espacial inclou al seu si l’EuroQCI, una infraestructura de comunicació quàntica que protegirà les comunicacions i dades sensibles de la UE i les infraestructures crítiques. El programa EuroQCI constarà d’un segment terrestre, on les xarxes de comunicacions de fibra connectaran llocs estratègics en l’àmbit nacional i transfronterer, i d’un segment espacial, basat en satèl·lits que enllaçaran xarxes de comunicacions quàntiques nacionals a tota la UE i el món. El 2027 ha d’estar funcionant.
“Ja s’està desplegant, tot i que de manera lenta, perquè requereix canvis en la infraestructura. A la internet quàntica, que correrà per sobre de la infraestructura actual, se li afegirà una capa de ciberseguretat quàntica, que la farà robusta davant d’atacs molt superiors als que es produeixen avui dia”, explica el director de l’ICFO.
D’allò que tothom està segur és que les actuals encriptacions seran molt fràgils davant la computació quàntica, hiperràpida a l’hora de descobrir-les. “Ara necessites molt temps per desxifrar les claus de seguretat que existeix en les comunicacions, però amb un ordinador quàntic això es podrà fer en minuts. Per tant, dotar de seguretat quàntica les comunicacions és vital. Hem de pensar fins i tot que avui dia es podria donar que algú s’estigués guardant informació encriptada robada, esperant que la quàntica la desxifri. Això s’ha d’evitar”, afirma Torner.
Actualment hi ha obertes dues vies d’investigació per dotar la internet d’aquesta capa de seguretat quàntica afegida. Una d’elles es basa en la matemàtica (algoritmes cada vegada més forts) i l’altra en la fotònica, que fa servir propietats dels fotons associades a la física quàntica per arribar a una comunicació hipersegura. “Molt possiblement, en el futur es treballarà amb una combinació de totes dues perquè la quàntica no la farem servir per a tot”, avança Torner.
Fotònica.
La comunicació és només un dels quatre pilars de les tecnologies quàntiques. Els altres tres són la computació, la simulació i la sensòrica i metrologia. La computació quàntica mira d’aconseguir un ordinador amb xips que treballin amb cúbits, fotons o altres materials capaços de guardar, controlar i manipular la informació. “Fa molts anys que s’utilitza la tecnologia quàntica. Ara parlem d’aprofitar el deep quantic, que són fenòmens de la mecànica quàntica que ara ens semblen estranys, com la superposició o la no clonació, entre d’altres”, explica Xavier Jordán, investigador del Grup de Recerca de Comunicacions Espacials de la Fundació i2Cat. Indaguen com controlar i treure profit de la quàntica, aprofitant que la tecnologia digital actual ajuda al desenvolupament que ha experimentat.
Les QKD.
Si a l’ICFO s’investiga sobre les comunicacions punt a punt a través de la llum, a la Fundació i2Cat aprofiten els recursos de l’ICFO per indagar com s’han d’escalar les connexions a través de la xarxa. I aquí entren en escena les QKD (Quantum Key Distribution), les claus criptogràfiques que han de permetre la seguretat en les comunicacions de l’era quàntica. “Et calen nous equipament, nous protocols, noves arquitectures i estacions que actuïn de repositoris en diversos trams del camí, on s’hauran d’anar a buscar les claus que, a diferència d’ara, ja no es generaran automàticament quan es vulgui iniciar una comunicació”, explica Jordán.
Per a les QKD “els satèl·lits poden ser els grans aliats”.
Investigació de pes a Catalunya
El BSC (Barcelona Supercomputing Center) està coordinant el projecte Quantum Spain, que preveu la construcció i instal·lació del primer computador quàntic basat en tecnologia europea. En el programa, que preveu disposar d’un primer xip de dos cúbits operatius a finals d’enguany i d’un mínim de vint a la seva finalització, el 2025, hi participen vint-i-cinc universitats, centres d’investigació i infraestructures de catorze autonomies. La investigació quàntica disposa, a més, de destacades empreses emergents sorgides de l’ICFO, com ara QuSide, que ofereix xips i mòduls d’aleatorietat quàntica, i LuxQuanta, que aporta sistemes de distribució de claus quàntiques variables contínues (CV-QKD) integrades als enllaços de fibra òptica existents i coexistint amb les tecnologies de telecomunicacions convencionals, dirigits a xarxes metropolitanes. També Qilimanjaro, spin-off de la UB, el BSC i l’IFAE, és pionera en el desenvolupament de computadores quàntiques i solucions algorítmiques escalables dirigides a accelerar i optimitzar els processos productius.