Tecnologías cuánticas aplicadas a sistemas de defensa y espacio

La presente notificación, con todas las referencias, es el extracto de un artículo publicado en la Revista de Ingeniería Naval de abril de 2023 por los autores indicados.

Juan Antonio Zufiría Zatarain. Doctor Ingeniero Aeronáutico ex Vicepresidente Senior de IBM Corp. Académico de la Real Academia de Ingeniera de España.

VA Antonio Martínez Ruiz. Doctor Ingeniero de Telecomunicaciones Almirante Director de Ingeniería y Construcciones Navales. Armada Española.

Diego Fernández Casado. Ingeniero Naval Presidente Asociación de la Ingenieros Navales y Oceánicos de España Académico de la Real Academia de la Mar.

La idea de la computación cuántica se retrotrae al famoso físico del siglo XX, Richard Feynman, que en 1981 postuló que para simular realmente el comportamiento de la materia a nivel cuántico necesitaríamos de un dispositivo que simulara la forma en la que la materia se comporta a esa escala.

El reciente interés proviene en gran medida por el hecho de que ahora somos capaces de construir ese tipo de máquinas con dimensiones que nos permitirían resolver algunos de esos problemas en pocos años. Las áreas de interés son: sensorización, comunicación y computación.

Aplicaciones en Defensa

A nivel orgánico en el Ministerio de Defensa, en la Unión Europea y en la OTAN se están desarrollando documentos conceptuales y estrategias de desarrollo tecnológico que contemplan la tecnología cuántica. Solo por mencionar algunos:

-Estrategia de Tecnología e Innovación para la Defensa (ETID), Sedef diciembre 2020.

-NATO Cryptographic Modernisation Timed Roadmap V7.0.

-WK 6377/2020 INIT EU Quantum Transition del Secretariado General del Consejo de la UE.

Existen además distintas iniciativas financiadas con fondos de la Unión Europea, como por ejemplo los programas Adequade y Q-Sing.

En la cumbre de 2021 se lanzó la iniciativa Diana (Defence Innovation Accelerator for the North Atlantic), donde las tecnologías cuánticas tienen dedicada una rama especifica.

Comunicaciones Cuánticas. Ciberseguridad cuántica

Los algoritmos denominados 'quantum resilient' ofrecen un nuevo paradigma en el uso de métodos de encriptación, tales como el FHE (fully homomorphic encryption). Estas aplicaciones están más en el ámbito de la matemática teórica que en el de la implementación práctica, y podría tener aplicaciones en la computación cuántica basada en la nube, que requiere un nivel de seguridad extremadamente alta.

Igualmente los algoritmos de distribución de clave cuántica (QKD) proporcionan otra capacidad que permite un intercambio de claves de encriptación seguro en redes cuánticas, lo que es vital en los sistemas de información militares.

Computación cuántica

Actualmente existen varias implementaciones de ordenadores cuánticos: Google (con 53 qbits con el que declararon la supremacía cuántica en 2019), IBM, IonQ, Honeywell y Xanadu, todos ellos de varias tecnologías. De todas formas la carrera no ha hecho más que empezar y se esperan ordenadores de 1 millón de qbits en 2029.

Recientemente, IBM ha lanzado una campaña de comunicación mostrando sus nuevos desarrollos en computación cuántica a nivel HW, capacidades SW y en general la creación de un ecosistema cuántico global para ayuda a los desarrolladores. En términos de potencia, ha anunciado la disponibilidad, durante 2023, del chip Condor de 1121 qbits.

Sensorización cuántica. Radar cuántico

También se espera cierto avance en la denominada 'sensorización cuántica' que se basa en los principios teóricos de la mecánica cuántica. Según esta, los estados cuánticos son extremadamente sensibles a distorsiones por lo que pueden medir diferencias extremadamente pequeñas de parámetros tales como temperatura, aceleración, campo magnético, gravedad o tiempo.

Las aplicaciones que se consideran de más interés son las relacionadas con el Lidar cuántico para iluminación de blancos a corta distancia.

Sobre los radares cuánticos hay que ser extremadamente cauteloso ya que su aplicabilidad práctica a medio plazo es discutible.

Guerra electrónica. Tecnología de Antenas

La guerra electrónica puede beneficiarse de la computación cuántica en el análisis de señales RF complejas, y especialmente donde sea necesario aplicar técnicas de optimización basadas en Inteligencia Artificial.

En relación con desarrollos tecnológicos de antenas, las antenas cuánticas basadas en 'átomos de Ryberg' podrían ofrecer la capacidad de interceptación de señales independientemente de su longitud de onda.

Aplicaciones submarinas

La tecnología cuántica puede presentar mejoras significativas en aplicaciones PNT, especialmente en sistemas inerciales. Los sistemas inerciales actuales presentan errores clásicos del entorno de 1 milla cada 360 horas en sistemas FOG (Fiber Optic Giroscope) mientras que los sistemas cuánticos pueden ofrecer precisión en la navegación de varios cientos de metros al mes.

Otras aplicaciones que utilizan las tecnologías cuánticas son los magnetómetros cuánticos que presentan una sensibilidad muy superior a los sistemas actuales.

El ecosistema cuántico en España

A finales de 2021 se constituyó Quantum Spain. Quantum Spain es una UTE formada por Qilimanjaro Quantum Tech (startup dedicada a la computación cuántica) y por GMV. Es una iniciativa con el objetivo de construir un ordenador cuántico de 30 qbits que estará alojado en 2025 en el Barcelona Supercomputing Center (BSC).

En 2022, el Centro de Supercomputación de Galicia (Cesga) de la Universidad de Santiago también anunció la intención de contar con un ordenador cuántico fabricado por Fujitsu.

El pasado mes de marzo de 2023, la Fundación Vasca para la Ciencia e IBM anunciaron un acuerdo para instalar en San Sebastián un Centro de Computación Cuántica. Este contará con un ordenador cuántico System One disponiendo de un chip Heron de 133 qbits.

Coincidiendo con las iniciativas anteriores, la Secretaria de Estado de Digitalización e Inteligencia Artificial ha anunciado la inversión de hasta 200 millones de euros en empresas dedicadas al desarrollo de la computación cuántica en España.

El proyecto CUCO, Computación Cuántica en Industrias Estratégicas, subvencionado por el CDTI y apoyado por el Ministerio de Ciencia e Innovación bajo el Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia, es el primer gran proyecto de computación cuántica a nivel nacional y empresarial. Liderado por GMV, configura un consorcio de varias empresas: Amatech, BBVA, DAS Photonics, Multiverse computing, Quilimanjaro Quantum y Repsol en colaboración con varios centros de investigación (Barcelona Supercomputing Center, Centro Superior de Investigaciones Científicas, Tecnalia, Donostia International Physics Center e Instituto de Ciencias Fotónicas) y la Universidad Politécnica de Valencia.

Recientemente el CSIC publicó en la revista Nature Physics, junto con otras entidades colaboradoras, un importante logro consistente en el desarrollo de una nueva arquitectura híbrida de bits cuánticos semiconductores y superconductores lo que se considera un paso crucial en el avance de la computación cuántica.