L'anell quàntic de Collserola

Quan el juny del 1925 el físic alemany Werner Heisenberg es va retirar a la diminuta illa de Helgoland per guarir-se d’una rinitis al·lèrgica, no devia pensar que gairebé cent anys més tard els diaris generalistes parlarien d’ell. Però allà, mentre passejava insomne pels penya-segats rogencs amb el Divan occidental-oriental de Goethe sota el braç, en una mena d’epifania o èxtasi romàntic, va resoldre un problema que no el deixava dormir des de feia mesos i va bastir els fonaments de la física quàntica actual.

Gràcies a aquesta teoria, al llarg dels anys 50 i 60 es van desenvolupar tots els components i estructures que han fet possible el món digital en què vivim. El procés es coneix com a Primera Revolució Quàntica. Sense les idees sobre el món microscòpic desenvolupades per Heisenberg, Schrödinger i companyia, i sense l’aplicació que se’n va fer vint anys més tard, no hi hauria internet, telèfons mòbils ni ordinadors com els que tenim avui. Ara, però, "ens trobem en la Segona Revolució Quàntica", assegura Lluís Torner, director de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), situat al Parc Mediterrani de la Tecnologia, a Castelldefels.

Física quàntica en estat pur

Tal com explica aquest científic, "el que es fa avui és emmirallar-se en el que va passar als anys 60 i perseguir pilars com els ordinadors quàntics, un internet quàntic, sensors mèdics quàntics o materials quàntics". Aleshores es van fer servir les lleis de la física quàntica aplicades a sistemes grans, com per exemple una peça de silici, formada per milions i milions d’àtoms. És a dir, la teoria quàntica va permetre un coneixement profund del comportament de certs materials i això es va aprofitar per construir circuits i components electrònics. Ara, en canvi, es fa servir el que es podria dir física quàntica en estat pur: s’exploren les aplicacions de fenòmens específicament quàntics com la superposició o l’entrellaçament, que és una de les propietats de la matèria a escala microscòpica més sorprenents i que ja va fer anar de corcoll el mateix Einstein.

Aquesta propietat misteriosa es basa en el fet que quan dues partícules han interactuat, d’alguna manera queden connectades encara que les separin grans distàncies. Un cop entrellaçades, quan es produeix un canvi en una de les partícules, l’altra canvia instantàniament sense cap mena de contacte. Màgia? No, pura física quàntica.

"Vista des d’avui, no sembla que aquesta segona revolució hagi de ser tan profunda com la primera, que va ser profundíssima perquè va canviar molt el món", valora Torner. "Però, esclar —continua—, si als anys 60 haguessis preguntat a la gent què pensava que passaria amb els xips i companyia potser tampoc haurien dit que hi hauria un canvi espectacular, o sigui que predir el futur és complicat".

Comunicacions segures

Però, què es pot fer amb tots aquests fenòmens tan estranys com l’entrellaçament? Segons el director de l’ICFO, "l’aplicació que està més avançada és la de les comunicacions quàntiques". I l’aportació principal d’aquesta tecnologia es troba en la seguretat. Un sistema quàntic de comunicació garanteix una seguretat gairebé total, perquè en cas que es produeixi algun atac, els fotons que transporten la informació canvien com a conseqüència de la interacció i la informació és irrecuperable.

"Tot i que no a tothom li importa perquè la gent normal i corrent ja en té prou amb la seguretat actual, hi ha sectors estratègics que treballen amb dades molt sensibles, com ara hospitals o entitats que gestionen infraestructures crítiques, a qui aniria molt bé tenir una capa extra de seguretat a internet", explica Torner. I afegeix: "Confiem en la criptografia actual perquè no se sap que ningú la pugui trencar, però Alan Turing va trencar la de Hitler i tampoc l'hi va dir".

La qüestió és que cada vegada són més freqüents les notícies de ciberatacs com el que es va produir el passat octubre a tres hospitals catalans, el Moisès Broggi, el Dos de Maig i el General de l'Hospitalet, o el de l’octubre del 2021 a la Universitat Autònoma de Barcelona. A més, tal com apunta el director de l’ICFO, "amb la guerra d’Ucraïna ha quedat clar que hi ha una cursa mundial per construir xarxes de comunicacions terrestres i de satèl·lit amb seguretat".

Comunicacions quàntiques a Barcelona

En aquest sentit, l’ICFO lidera dos projectes, un dels quals ha rebut recentment el tret de sortida i acabarà d’enlairar-se el 2023. Aquest projecte de recerca s’emmarca en el programa europeu EuroQCI (European Quantum Communications Infrastructure), que té com a propòsit construir una infraestructura de comunicacions quàntiques a Europa, mitjançant connexions terrestres i via satèl·lit, per aconseguir abastar grans distàncies i cobrir tot el continent.

En una primera instància, l’objectiu de la iniciativa és construir xarxes de comunicacions quàntiques al voltant d’algunes metròpolis europees, entre les quals hi ha Barcelona. "El nostre objectiu —explica Torner— és construir l’anomenat anell Collserola, que connectarà algunes seus del govern, hospitals, alguna empresa gran i altres entitats relacionades amb les infraestructures al voltant de Barcelona, de manera que disposin d’enllaços de comunicacions quàntiques que facin que no es puguin espiar les dades". A més de l’ICFO, en aquest projecte també participen l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), l'Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), la Universitat de Barcelona (UB), la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).

Més enllà d’això, l’investigador de l'ICFO Valerio Pruneri també lidera el projecte CiViQ (Continuous Variable Quantum Communications), que forma part del Quantum Flagship europeu al qual Europa destinarà un bilió d’euros des del 2018 fins al 2028. A CiViQ hi participen 21 entitats, entre les quals centres de recerca, universitats i 8 grans empreses, amb l’objectiu de desenvolupar tecnologia de comunicació quàntica comercial. "Com que tota la informació continua circulant per la fibra òptica existent, essencialment fan falta uns aparells que utilitzin les lleis de la física quàntica per generar claus que assegurin que la comunicació sigui segura", explica Torner.

En aquest sentit, de l’ICFO n'han sortit dues empreses spin-off, QuSide i LuxQuanta, que es dediquen precisament a això. "A l’ICFO fem recerca de punta i aquestes empreses desenvolupen els estris perquè aquesta recerca adopti una forma comercial i, per entendre’ns, fabriquin un equip que pugui comprar l’Hospital de Can Ruti", aclareix.

Sobirania tecnològica

L’objectiu europeu de cobrir tot el continent amb xarxes de comunicació quàntica és un repte perquè, actualment, aquesta mena de comunicació es pot fer a distàncies relativament curtes. "Els enllaços que se saben fer avui dia tenen uns 50 quilòmetres, potser 60 o 70; al laboratori potser en pots aconseguir de 100, però al món real, al carrer Aragó, en pots fer 50 i, per tant, han de ser xarxes d’entorns metropolitans", apunta Torner.

"Tot això és important per una qüestió de sobirania tecnològica: Europa no vol que aquesta xarxa estigui feta amb tecnologia americana o xinesa", continua l’investigador. "L’objectiu és que quan aquest àmbit tingui un impacte social i industrial potent, a Catalunya no ens passi el mateix de sempre, que som usuaris espectaculars dels últims gadgets, tots anem amb l’últim model però ho comprem tot a fora. Si aquesta tecnologia explota a final d’aquesta dècada i aquí podem tenir mitja dotzena d’empreses que la comercialitzen arreu del món, doncs millor".

Sobre el fet que la Xina assegura que ja té operativa una connexió de comunicació quàntica entre Pequín i Xangai, separades per 1.200 quilòmetres, Torner considera que és possible. "Jo crec que la tenen", opina. "És un país opac, però són molt bons i en l’última dècada en l’àmbit de la quàntica han passat de ser un actor més a ser líders. Consideren que la Segona Revolució Quàntica és un canvi de paradigma del qual potser veurem l’impacte la dècada següent, el 2030, però tenen claríssim que el volen liderar".

Ordinadors quàntics

Una altra de les aplicacions quàntiques que té més anomenada és la dels ordinadors quàntics. Però cal aclarir que n’hi ha de dos tipus. "Als que surten als diaris i que es diu que fan coses espectaculars encara els falten algunes dècades —assegura Torner—. Ningú sap fer un ordinador quàntic superpoderós, però en canvi, sí que n’hi ha de més petits per a propòsits científics, que, de fet, són les primeres aplicacions que es van desenvolupar els anys 50 i 60 per als primers superordinadors: es feien servir en aplicacions científiques i algunes de militars amb la idea de simular processos físics que eren impossibles de calcular a mà, i ara passa el mateix".

Segons el director de l’ICFO, "aquests ordinadors [també coneguts com a simuladors quàntics] seran molt importants en ciència. Avui hi ha coses que només es poden provar al laboratori, però, per exemple, no es poden simular de manera precisa alguns fàrmacs o una molècula per a cèl·lules solars. En aquests casos, s’ha de fer una simulació senzilleta i després provar-ho al laboratori, però amb aquests ordinadors es podran fer simulacions i això tindrà un impacte important".

Materials quàntics

Ara bé, a parer de Torner, un dels àmbits en què la Segona Revolució Quàntica tindrà més impacte serà en el desenvolupament de nous materials. Les teories actuals que permeten descriure el comportament dels materials es basen en l’estadística, de manera que tenen limitacions. En el cas del silici han anat molt bé i han permès desenvolupar gran part de la tecnologia digital, però hi ha molts materials en què no aporten un coneixement prou precís. Calen noves eines per investigar, per exemple, els superconductors, materials que captin molta més energia solar o sensors mèdics més sensibles. "Com que no es pot accedir a les parts més íntimes del material, la precisió està limitada —explica el científic— però quan puguem començar a desenvolupar materials àtom per àtom, com si fos un Lego, podrem trobar materials completament nous".