Instrumentación y cifrado de redes

RESEÑAago. 23, 2022

Próxima parada: la próxima generación

Cómo contribuyen la instrumentación y el cifrado de redes a hacer realidad nuevas aplicaciones de tecnología cuántica

Tanto el sector público como la empresa privada están invirtiendo miles de millones en tecnologías cuánticas. En la prensa y los medios de comunicación, las noticias sobre nuevos hitos en el ámbito cuántico se suceden sin interrupción. Algunas aplicaciones visionarias en tecnología de sensores, informática y comunicaciones parecen estar al alcance de la mano. Gracias a las soluciones de test y medida (T&M) de alta precisión de Rohde & Schwarz, las instituciones científicas, industriales y públicas están en condiciones de llevar a cabo test específicos en sistemas cuánticos individuales. Y los expertos en soluciones de cifrado de la compañía están consiguiendo que la seguridad en las comunicaciones sobre base cuántica dé el salto del laboratorio al uso práctico en aplicaciones relevantes.

Retrato de Ping Loke

«La computación cuántica, la tecnología de sensores cuántica y la comunicación cuántica son tres tecnologías con un potencial extraordinario».

Ping Loke, vicepresidente ejecutivo del departamento corporativo de I+D

Las cantidades de dinero hablan por sí solas del potencial de innovación que se atribuye a las tecnologías cuánticas. Además de los compromisos globales de conocidos fondos de capital riesgo, también se están dedicando miles de millones de recursos públicos a fondos de investigación nacionales y transnacionales.

El Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, por ejemplo, ha establecido un fondo para la tecnología cuántica de 2600 millones de euros. La iniciativa Quantum Flagship de la Unión Europea cuenta con un presupuesto de al menos 1000 millones de euros, y en el marco de la Ley de Iniciativa Cuántica estadounidense se ha previsto una dotación de 2000 millones de dólares USA.

"La investigación ha experimentado un verdadero boom en las dos últimas décadas. Ahora, el foco de atención se centra en la segunda generación de la tecnología cuántica."
Ping Loke, vicepresidente ejecutivo del departamento corporativo de I+D

Los efectos cuánticos se han convertido en parte integral de nuestra vida cotidiana. Los smartphones modernos, por ejemplo, contienen varios miles de millones de transistores, principalmente en chips de memoria flash. Su función –controlar corrientes y tensiones– se basa en las propiedades mecánicas cuánticas de los semiconductores. La primera generación se beneficia de los efectos cuánticos naturales. Por el contrario, la segunda generación de tecnología cuántica está basada en el establecimiento y el control de estados cuánticos individualizados.

Tecnología cuántica 2.0: ¿qué podemos esperar?

Medicina personalizada

Medicina personalizada

Medicina personalizada: todos somos diferentes, y también lo son nuestras enfermedades. Las células cancerígenas, por ejemplo, varían de una persona a otra y a menudo mutan con el tiempo. Estas diferencias y mutaciones ya han sido ampliamente documentadas en términos analíticos, lo que ha generado cantidades ingentes de datos. «Big data» es la palabra de moda. Pero evaluar todos estos datos de forma rápida y eficaz para desarrollar tratamientos personalizados es algo imposible para un ordenador convencional.

Mejorar las cadenas de suministro

Mejorar las cadenas de suministro

Mejorar las cadenas de suministro: las corrientes de mercancías a escala global llegan a todos los rincones de la Tierra y, hoy más que nunca, todo está al alcance de un clic —la nueva tableta para el uso doméstico, o los obsequios para repartir en una celebración de la empresa. Pero detrás de la fachada hay una compleja red logística formada por fabricantes, proveedores de servicios, suministradores, agentes comerciales, empresas de transporte, servicios de mensajería y muchos otros. El más mínimo retraso en una terminal de contenedores o un cambio en el precio de los artículos adquiridos imponen la necesidad de buscar alternativas, en el mejor de los casos, en tiempo real. Esta tarea encierra igualmente una complejidad que tampoco son capaces de resolver los ordenadores normales.

Física cuántica en la seguridad de las comunicaciones

Física cuántica en la seguridad de las comunicaciones

Física cuántica en la seguridad de las comunicaciones: ya sea en el ámbito privado o laboral, las instantáneas de las vacaciones en la playa o las propuestas de desarrollo de nuevos productos, nuestros datos y su transmisión necesitan protección. En la actualidad, las empresas coinciden en afirmar que los ciberataques y sus consecuencias son la mayor amenaza para sus actividades. Los avances en la computación cuántica ponen en evidencia los límites de los métodos de cifrado convencionales. Las innovaciones en las comunicaciones cuánticas son la promesa del futuro, puesto que permiten identificar de forma fiable el acceso no autorizado. Esto significa que es posible crear un canal de alta seguridad genuino para la información confidencial.

Rápido. Más rápido. Computación cuántica.

Nuestro mundo se rige por el código binario. Los ordenadores convencionales procesan datos en forma de secuencias de unos y ceros, verdadero o falso, activo o inactivo. Esto es aplicable a todo lo que nos rodea, desde el simple tratamiento de textos hasta la realidad virtual en el metaverso. Pero el mundo en el que vivimos y trabajamos es cada vez más complejo. La cantidad de datos que tenemos que procesar aumenta de forma imparable. El volumen anual de datos generados digitalmente se ha multiplicado por diez entre 2012 y 2020, y se prevé que vuelva a triplicarse hasta 2025. La cantidad de datos pronosticada supera los 180 zettabytes, o, en términos más conocidos, 180 billones de gigabytes.

Por tanto, los ordenadores convencionales se enfrentan a dos obstáculos insalvables: el tiempo y la complejidad. Cuanto mayor es el volumen de datos, más tiempo se necesita para procesarlos secuencialmente. Y cuanto más complejo es el problema, menos probabilidades hay de que el código binario, que solo conoce dos estados, sea capaz de calcular de forma eficiente una solución. Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de superar ambos obstáculos gracias a los avances de la física moderna.

Some like it cold

El secreto está en el frío

El Instituto Walther Meißner para la investigación a bajas temperaturas (WMI) es un organismo de investigación que pertenece a la Academia de Ciencias y Humanidades de Baviera, y realiza estudios de investigación básica y aplicada en el terreno de la física de baja temperatura y ultrabaja temperatura. La computación cuántica es obviamente una de sus áreas de estudio, y los investigadores confían en las soluciones de test y medida de Rohde & Schwarz y su filial Zurich Instruments para controlar sus sistemas.

Conciliar en lugar de excluir

Al igual que los bits convencionales, los bits cuánticos (cúbits) forman unidades de memoria de mecánica cuántica. Además de simples ceros y unos, también pueden adoptar estados superpuestos y mixtos. Esta simultaneidad representa un cambio de paradigma fundamental en la tecnología. Ahora es posible ejecutar métodos de cálculo secuenciales convencionales simultáneamente, y este es el motivo por el que un ordenador cuántico puede ahorrar tanto tiempo.

Pero sobre todo, el nuevo modelo de mecánica cuántica nos permite procesar cuestiones nuevas y mucho más complejas. Y no se trata de excluir un camino y decidirse por otro, de optar solo por la potencia de procesamiento convencional o solo por la computación cuántica. Al contrario, lo importante es conciliar las posibilidades de los sistemas existentes y de los cuánticos en función de la tarea que se plantea.

Un rápido vistazo a los objetivos de la investigación muestra el mucho trabajo que tienen todavía por delante los equipos de investigación aplicada. El plegamiento proteico, por ejemplo, es un problema de enorme importancia y figura por lo tanto entre las áreas fundamentales de estudio. Encontrar una solución nos permitiría predecir la estructura tridimensional de una proteína sobre la base de su secuencia de aminoácidos primarios. Esta línea de investigación alberga grandes esperanzas, pues posiblemente nos ayudará a desarrollar medicamentos personalizados altamente eficaces, por ejemplo.

La física frente a la lógica

En el mundo cuántico, una partícula puede encontrarse en dos lugares al mismo tiempo. Solamente cuando se observa se puede delimitar su ubicación, por ejemplo mediante medidas. En otras palabras, no tiene una ubicación definitiva hasta que se observa. Esta singular característica es a la vez el motivo por el que es sumamente inestable. En lugar de utilizar cúbits físicos individuales, que pueden dar lugar a muchos errores, se agrupan varios cúbits en un cúbit lógico. Pero la dificultad consiste aquí en que se necesitan sistemas cuánticos con casi un millón de cúbits lógicos para resolver cuestiones prácticas como el plegamiento proteico. Un cúbit lógico puede contener hasta 100 cúbits físicos, pero la capacidad de procesamiento más alta es actualmente de solo 127 cúbits físicos.

Retrato de Sadik Hafizovic

«Nuestra misión es contribuir a la creación del ordenador cuántico».

Dr. Sadik Hafizovic, CEO y cofundador de Zurich Instruments, filial de Rohde & Schwarz

Zurich Instruments es el miembro más joven de la familia Rohde & Schwarz. El mercado de la instrumentación para la computación cuántica particularmente encierra un enorme potencial para ambas compañías. Para operar y mantener ordenadores cuánticos se requiere una extensa gama de soluciones específicas de test y medida, ya que es necesario generar y medir señales de radiofrecuencia con una precisión extremadamente alta para crear y registrar eficazmente estados cuánticos. Los sistemas de control para ordenadores cuánticos forman parte de la oferta de la compañía.

"Laboratorios de investigación y socios comerciales del sector confían en nuestros sistemas de medida y control para garantizar el perfecto funcionamiento de sus ordenadores cuánticos. Esto nos convierte en un acelerador de la innovación, ya que los investigadores de la tecnología cuántica no tienen que dedicar su valioso tiempo al desarrollo de sus propios instrumentos."
Sadik Hafizovic, CEO y cofundador de Zurich Instruments, filial de Rohde & Schwarz

Seguro. Más seguro. Comunicaciones cuánticas.

Los ordenadores cuánticos probablemente romperán las barreras de la eficiencia de procesamiento. Pero esto acarreará también posibles inconvenientes, por ejemplo en lo que a la seguridad en las comunicaciones se refiere. Esta caja de pandora empezó a abrirse a principios de los 90, con la irrupción de los primeros algoritmos capaces de batir a los algoritmos de cifrado convencionales utilizando ordenadores cuánticos de alto rendimiento.

A partir de entonces han ido surgiendo métodos de cifrado alternativos. Básicamente existen dos enfoques principales. El primero es la criptografía postcuántica, que consiste en métodos de cifrado totalmente convencionales con una diferencia esencial: pueden resistir ataques de ordenadores cuánticos sin verse vulnerados. Los algoritmos utilizados para este enfoque se basan en supuestos teóricos para los que no se conocen actualmente ataques efectivos, ni con ordenadores cuánticos ni con los convencionales.

Retrato de Falk Herrmann

«Las redes de comunicaciones seguras se han convertido en una infraestructura crítica en las sociedades avanzadas de la información».

Dr. Falk Herrmann, CEO de Rohde & Schwarz Cybersecurity

El otro enfoque se basa en la distribución claves cuánticas (QKD, por sus siglas en inglés). La Oficina Federal para la Seguridad en las Tecnologías de la Información (BSI) de Alemania y el Instituto Nacional de estándares y tecnología de EE. UU. (NIST) son dos impulsores fundamentales de la innovación en este campo. En un mundo que avanza a pasos agigantados hacia la digitalización, los clientes del sector privado, y sobre todo los gubernamentales, necesitan soluciones de seguridad informática de confianza.

Estas soluciones innovadoras se centran cada vez más en la criptología. Los métodos convencionales, así como los métodos postcuánticos más recientes, se basan en supuestos matemáticos, es decir, la idea de que determinadas tareas no se pueden calcular con eficiencia suficiente. La distribución de claves cuánticas, en cambio, se basa en principios físicos.

Distribución segura de claves simétricas

El objetivo consiste en distribuir con seguridad claves simétricas. Esto se consigue transmitiendo millones de fotones (partículas ligeras) individuales a través de una línea óptica, como por ejemplo un cable de fibra óptica. Cada fotón tiene su propio estado cuántico aleatorio. Cualquier intento de leer o copiar los fotones cambia este estado. Este cambio de estado se puede detectar con fiabilidad, ya que los protocolos QKD están diseñados de forma que cualquier tentativa del exterior para observar los fotones interrumpe la transmisión, y toda interrupción es detectada.

Los primeros dispositivos QKD fueron desarrollados primeramente por grupos de trabajo del ámbito de la física, y la preparación para su comercialización se ha extendido durante años. Rohde & Schwarz Cybersecurity participa y contribuye al éxito de numerosos proyectos de investigación con sus amplios conocimientos en soluciones de seguridad y su experiencia en la creación e implementación de dispositivos y sistemas seguros.

"Ponemos nuestros conocimientos al servicio de las comunicaciones cuánticas para trasladarlas del laboratorio a las aplicaciones de la vida real."
Falk Herrmann, CEO de Rohde & Schwarz Cybersecurity

Innovación mediante la colaboración

Además del desarrollo propiamente dicho de la tecnología, la interacción con los clientes y la participación en grupos de investigación y asociaciones sectoriales son también sumamente importantes. Por eso, Rohde & Schwarz ha intervenido desde un principio en numerosas redes emergentes. Algunas de ellas son:

Munich Quantum Valley

Munich Quantum Valley (MQV) es una iniciativa para promover la ciencia cuántica y las tecnologías cuánticas en Baviera, y ha sido fundada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación alemán. Este proyecto tiene por objeto construir un demostrador de hasta 100 cúbits. Zurich Instruments se encarga de elaborar un nuevo esquema de lectura de alta fidelidad para cúbits integrados en 3D y de automatizar las rutinas de calibración de procesadores cuánticos. En la iniciativa participan también el Instituto Walter Meißner, la Universidad Técnica de Múnich, Fraunhofer EMFT, Infineon, Kiutra, Parity Quantum Computing Deutschland e IQM Deutschland.

https://www.munich-quantum-valley.de/

QSolid

Este proyecto se dedica a construir un demostrador de ordenador cuántico superconductor con varias generaciones de procesadores diferentes en cuanto a rendimiento, tamaño, precisión y ámbito de aplicación. Zurich Instruments ha sido encomendada con la tarea de integrar el sistema de control del ordenador cuántico en la pila cuántica y optimizar los protocolos de transmisión de datos con alto ancho de banda de comunicaciones. Intervienen con contribuciones importantes, entre otros, Parity Quantum Computing Deutschland, HQS Quantum Simulations, Rosenberger Hochfrequenztechnik, IQM Deutschland, Supracon, Racyics, AdMOS, LPKF Laser & Electronics, Partec, Atotech y Atos Information Technology.

https://www.q-solid.de/

OpenSuperQ

Este proyecto forma parte de Quantum Flagship, una de las iniciativas de investigación de mayor calado y más ambiciosas de la Unión Europea. OpenSuperQ se concentra en el diseño, la construcción y la operación de un sistema de procesamiento de datos con hasta 100 cúbits. Los planes prevén mantenerlo con una disponibilidad permanente para usuarios externos en una ubicación central. Zurich Instruments es responsable de toda la electrónica de temperatura de las salas y del software de medida y control del sistema multicúbit. El Centro de Investigación de Jülich, en Alemania, la Universidad suiza ETH Zúrich, así como la Chalmers University of Technology en Suecia son importantes participantes en el proyecto.

https://opensuperq.eu/

Biblioteca criptográfica Botan para la seguridad a largo plazo

Junto con aliados tecnológicos como el Instituto Fraunhofer de seguridad aplicada e integrada (AISEC), la Universidad Técnica de Berlín y Nexenio, Rohde & Schwarz Cybersecurity está ampliando la biblioteca con criptoalgoritmos capaces de resistir ataques de ordenadores cuánticos.

https://botan.randombit.net/

OpenQKD

La Unión Europea ha constituido un consorcio con cerca de 40 socios de proyecto procedentes de 13 países miembros dedicado a la distribución de claves cuánticas (QKD). El objetivo consiste en crear infraestructura para pruebas y redes de comunicación que permitan llevar a la práctica la distribución de claves cuánticas. La infraestructura europea para las comunicaciones cuánticas (EuroQCI) se seguirá desarrollando en futuros proyectos sucesivos.

https://openqkd.eu/

DemoQuanDT

La meta de este proyecto del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania es investigar, desarrollar y demostrar un sistema seguro de gestión de redes QKD dentro de una infraestructura de telecomunicaciones. En el transcurso de este proyecto, las ciudades de Berlín y Bonn se comunicarán a través de un enlace para probar comunicaciones cuánticas que hará las veces de demostración. La visión consiste en establecer la red cuántica más larga de Alemania.

https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/demoquandt

Quarate

El proyecto Quarate ha sido instituido por el Ministerio Federal de Educación e Investigación alemán. Pretende utilizar una ventaja cuántica para rebasar los límites de la tecnología de radares convencional mediante microondas cuánticas y métodos de correlación avanzados para mejorar la captura de datos. En el proyecto participan, entre otros, German Aerospace Center (DLR), la Universidad Técnica de Múnich (TUM) y el Instituto Walther Meißner (WMI).

https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/anwendungsbezogene-forschung-in-der-quantensensorik-metrologie-sowie-bildgebung/quarate.html