Medición y cifrado de redes

RESEÑAago. 23, 2022

Próxima parada: la nueva generación

Cómo las soluciones de prueba y medición, así como el cifrado de redes habilitan nuevas aplicaciones de tecnología cuántica

El sector público y el privado invierten miles de millones en tecnología cuántica. Los medios de comunicación informan sobre los rápidos avances de la tecnología cuántica. Aplicaciones visionarias en tecnología de sensores, computación y comunicaciones parecen estar ya al alcance. Las soluciones de prueba y medición de gran precisión de Rohde & Schwarz permiten al sector científico, a la industria y a instituciones públicas realizar pruebas específicas en sistemas cuánticos individuales. Así también, expertos en cifrado de la compañía ponen a disposición, desde sus laboratorios, comunicaciones seguras basadas en tecnología cuántica para utilizarse en aplicaciones relevantes.

Ping Loke

«Computación cuántica, tecnología de sensores cuánticos y comunicaciones cuánticas: las tres tecnologías tienen potencial disruptivo».

Ping Loke, vicepresidente ejecutivo, I+D empresarial

Las cantidades de dinero hablan por sí solas acerca del potencial de innovación atribuido a las tecnologías cuánticas. Además de los compromisos globales de fondos de capital de riesgo bien conocidos, miles de millones en recursos públicos también son canalizados en fondos para la investigación nacional y transnacional.

El Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, por ejemplo, ha creado un fondo de tecnología cuántica de 2600 millones de euros. La iniciativa de la tecnología insignia cuántica de la UE ha presupuestado al menos 1000 millones de euros y la National Quantum Initiative Act (ley de iniciativa cuántica nacional) de los EE. UU. tiene a su disposición 2000 millones de dólares estadounidenses.

"La investigación ha crecido rápidamente en las dos últimas décadas. La atención se centra ahora en la segunda generación de tecnología cuántica."
Ping Loke, vicepresidente ejecutivo, I+D empresarial

Los efectos cuánticos se han vuelto parte de nuestra vida cotidiana. Los smartphones modernos, por ejemplo, contienen varios cientos de miles de millones de transistores, principalmente en los chips de memoria flash. Su función, controlar la corriente y el voltaje, se basa en las propiedades mecánicas cuánticas de los semiconductores. La primera generación aprovecha los efectos cuánticos naturales. Por el contrario, la segunda generación de la tecnología cuántica se basa en la creación y el control de estados cuánticos individuales.

Tecnología cuántica 2.0: ¿qué se puede esperar?

Medicina personalizada

Medicina personalizada

Medicina personalizada: todas las personas somos diferentes, y por ende también nuestras enfermedades. Las células cancerosas, por ejemplo, difieren de una persona a otra y a menudo cambian con el tiempo. Estas diferencias y cambios ya están bien documentados en términos analíticos, lo que ha generado grandes cantidades de datos. «Big Data» es la palabra de moda. Pero evaluar estos datos de manera rápida y eficaz para desarrollar tratamientos personalizados es imposible para las computadoras convencionales.

Mejora de las cadenas de suministros

Mejora de las cadenas de suministros

Mejora de las cadenas de suministros: los flujos globales de bienes llegan a cada rincón del planeta y todo está ahora a un solo clic de distancia: una nueva tablet para el hogar u obsequios para una fiesta de la empresa. Pero detrás de esto existe una compleja red logística de fabricantes, proveedores de servicios, proveedores, comerciantes, empresas navieras, servicios de courier y mucho más. El más mínimo atraso en un puerto de contenedores o el cambio de precio de los artículos adquiridos significa que debe encontrarse alternativas preferiblemente en tiempo real. Pero la complejidad de esta tarea está más allá de lo que las computadoras convencionales pueden manejar.

Física cuántica en comunicaciones seguras

Física cuántica en comunicaciones seguras

Física cuántica en comunicaciones seguras: ya sean personales o profesionales, fotos de vacaciones en la playa o propuestas de desarrollo de nuevos productos, nuestros datos y su transmisión necesitan estar protegidos. Hoy en día las empresas mencionan de manera constante los ciberataques y sus consecuencias, que representan el mayor riesgo para sus negocios. Los avances en computación cuántica están revelando los límites de las tecnologías convencionales de cifrado. Las innovaciones en comunicaciones cuánticas son la clave para el futuro, ya que permiten la detección confiable del acceso no autorizado. Esto significa que puede crearse un canal genuino de alta seguridad para la información confidencial.

Rápidas. Más rápidas. Computación cuántica.

Nuestro mundo se controla por un código binario. Las computadoras convencionales procesan los datos como una secuencia de unos y ceros, verdadero o falso, prendido o apagado. Esto se aplica a todo, desde un simple procesamiento de textos hasta la realidad virtual en el metaverso. Pero el mundo en el que vivimos y trabajamos está volviéndose cada vez más complejo. La cantidad de datos que necesitamos procesar está creciendo rápidamente. El volumen anual de datos generados de manera digital ha aumentado diez veces entre el 2012 y 2020, y actualmente se espera que se triplique de nuevo para el 2025. La cantidad de datos pronosticada es más de 180 zettabytes, o en términos más familiares, 180 billones de gigabytes.

Por esta razón, las computadoras convencionales enfrentan dos obstáculos insalvables: tiempo y complejidad. Cuanto mayor sea el volumen de datos, mayor es el tiempo que se necesita para procesar estos datos de manera secuencial. Mientras más complejo sea el problema, menor será la probabilidad de que el código binario, con solo dos estados, pueda ser capaz de calcular de manera eficiente una solución. Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar ambos obstáculos gracias a sus conocimientos de física moderna.

Some like it cold

A algunos les gusta frío

El Walther Meißner Institute for Low Temperature Research (WMI) es un instituto de investigación de la Academia Bávara de Ciencias y Humanidades. Lleva a cabo investigaciones fundamentales y aplicadas en el campo de la física de bajas y ultrabajas temperaturas. La computación cuántica es, naturalmente, una de las áreas de interés, y los investigadores apuestan por las soluciones de prueba y medición de Rohde & Schwarz y de su filial Zurich Instruments para controlar sus sistemas.

La mejor solución: trabajo en conjunto

Al igual que los bits convencionales, los bits cuánticos (qubits) forman unidades de memoria mecánica cuántica. Además de ceros y unos, pueden también asumir estados superpuestos y mixtos. Esta simultaneidad representa un cambio de paradigma tecnológico fundamental. Ahora podemos ejecutar métodos convencionales de cálculo secuencial de manera simultánea, por esta razón una computadora cuántica puede ahorrarnos mucho tiempo.

Pero sobre todo, el nuevo enfoque de la mecánica cuántica nos permite procesar problemas nuevos y mucho más complejos. Sin embargo, no se trata de una decisión por la potencia de procesamiento convencional o por la computación cuántica. En cambio, lo que importa es integrar los sistemas existentes y los cuánticos en función de la tarea.

Un rápido vistazo a los objetivos de la investigación muestra cuánto trabajo recae sobre los equipos de investigación aplicada. El plegamiento de proteína, por ejemplo, es un problema muy importante y por ende un área clave de atención. Encontrar una solución nos permitiría predecir la estructura tridimensional de una proteína en función de su secuencia primaria de aminoácidos. Grandes expectativas recaen sobre esta investigación ya que probablemente nos ayudará a desarrollar medicinas personalizadas eficaces, por ejemplo.

Física contra lógica

En el mundo cuántico, una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Solo cuando se la observa puede limitarse su ubicación, por ejemplo, al medirla. En otras palabras, no tiene una ubicación definitiva hasta que se la observa. Esta propiedad inusual es también el por qué es extremadamente inestable. En lugar de utilizar qubits físicos individuales, los cuales pueden ser muy propensos a errores, se agrupan múltiples qubits en un qubit lógico. Sin embargo, el desafío aquí es que se necesita sistemas cuánticos con hasta un millón de qubits lógicos para responder preguntas prácticas, como el plegamiento de proteínas. Un qubit lógico puede contener hasta 100 qubits físicos, pero la más alta capacidad de procesamiento es actualmente de solo 127 qubits físicos.

Presentación de Sadik Hafizovic

«Nuestra misión es ayudar a construir la computadora cuántica».

Dr. Sadik Hafizovic, director gerente y cofundador de Zurich Instruments, una compañía de Rohde & Schwarz

Zurich Instruments es el miembro más joven de la familia Rohde & Schwarz. El mercado de prueba y medición para la computación cuántica, en particular, tiene un enorme potencial para ambas compañías. El funcionamiento y mantenimiento de las computadoras cuánticas requieren de una amplia gama de soluciones de prueba y medición específicas, debido a que las señales de RF necesitan generarse y medirse con una precisión extremadamente alta para crear y grabar de manera eficaz los estados cuánticos. Los sistemas de control para las computadoras cuánticas forman parte del catálogo de productos de la compañía.

"Laboratorios de investigación y empresas de la industria apuestan por nuestros sistemas de control y medición para que sus computadoras cuánticas funcionen a la perfección. Esto nos hace un acelerador de la innovación, debido a que los investigadores cuánticos no tienen que perder su tiempo desarrollando sus propios instrumentos."
Sadik Hafizovic, director gerente y cofundador de Zurich Instruments, una compañía de Rohde & Schwarz

Segura. Más seguridad. Comunicaciones cuánticas

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar los límites de la eficiencia de procesamiento. Pero esto conlleva a desafíos, como las comunicaciones seguras. La caja de Pandora empezó a abrirse a inicios de los años 90, con la aparición de los primeros algoritmos que podían romper los algoritmos criptográficos convencionales mediante la utilización de computadoras cuánticas de alto rendimiento.

Desde entonces han salido a la luz métodos de cifrado alternativos. Existen esencialmente dos enfoques principales. El primero es la criptografía poscuántica, la cual abarca completamente los métodos de cifrado convencionales con una diferencia clave: que pueden sobrevivir indemnes a los ataques de computadoras cuánticas. Los algoritmos utilizados en este enfoque se basan en supuestos teóricos para los cuales no se conocen actualmente ataques eficaces mediante computadoras cuánticas o convencionales.

Falk Herrmann

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

Dr. Falk Herrmann, director Ejecutivo de Rohde & Schwarz Cybersecurity

El otro enfoque está relacionado con la distribución de claves cuánticas (QKD). La Oficina Federal de Seguridad de la Información Alemana (BSI) y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) son dos de los principales impulsores de la innovación en esta área. En un mundo cada vez más digitalizado, los clientes del sector privado y los usuarios profesionales del sector gubernamental en particular, dependen de soluciones de seguridad informática confiables.

Estas soluciones innovadoras están cambiando el enfoque de la criptología. Los métodos convencionales, así como también los métodos poscuánticos más recientes, se basan en supuestos matemáticos, es decir, en la idea de que ciertas tareas no pueden calcularse con suficiente eficacia. La distribución de claves cuánticas, por el contrario, se basa en principios físicos.

Distribuya claves simétricas de manera segura

Lo que se pretende es distribuir claves simétricas de manera segura. Esto se realiza mediante la transmisión de millones de fotones individuales (partículas de luz) a través de un enlace óptico, como un cable de fibra óptica. Cada fotón tiene su propio estado cuántico aleatorio. Cualquier intento de leer o copiar los fotones cambiará este estado. Este cambio de estado puede detectarse de manera confiable, ya que los protocolos QKD se diseñan para que cualquier intento externo de observar los fotones interrumpan la transmisión, y cada interrupción sea detectada.

Los primeros dispositivos QKD se desarrollaron principalmente por grupos de trabajo de física, y se han venido comercializando por varios años. Rohde & Schwarz Cybersecurity proporciona y se vale de su amplia experiencia en soluciones de seguridad, como también en su experiencia en la construcción e implementación de sistemas y dispositivos de seguridad en numerosos proyectos de investigación.

"Estamos utilizando nuestra experiencia para llevar las comunicaciones cuánticas desde nuestros laboratorios hasta aplicaciones del día a día."
Falk Herrmann, director gerente de Rohde & Schwarz Cybersecurity

Innovación a través del trabajo conjunto

Además de desarrollar tecnología, es también importante interactuar con los clientes y participar en grupos de investigación y asociaciones industriales. Rohde & Schwarz ha formado parte de muchas redes emergentes desde el inicio. Aquí tenemos algunas:

Munich Quantum Valley

Munich Quantum Valley (MQV) es una iniciativa para promover las ciencias y las tecnologías cuánticas en Baviera, fundada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania. Este proyecto tiene como objetivo construir un demostrador con hasta 100 qubits. Zurich Instruments es responsable de un nuevo esquema de lectura de alta fidelidad para qubits 3D integrados y para automatizar rutinas de calibración para procesadores cuánticos. Entre sus participantes se incluyen Walter Meißner Institute, TU Munich, Fraunhofer EMFT, Infineon, Kiutra, Parity Quantum Computing Deutschland, y IQM Deutschland.

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

QSolid

Este proyecto tiene como objetivo construir un demostrador de computación cuántica superconductor con múltiples generaciones de procesadores los que difieren en rendimiento, tamaño, precisión y alcance de la aplicación. A Zurich Instruments se le ha encomendado la tarea de integrar el sistema de control de computación cuántica en la pila cuántica y optimizar los protocolos de transmisión de datos con un gran ancho de banda de comunicaciones. Entre los participantes de la industria con mayor participación tenemos a 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 es parte de Quantum Flagship, una de las iniciativas de investigación más grandes y ambiciosas de la Unión Europea. OpenSuperQ tiene como objetivo diseñar, construir y operar un sistema de procesamiento de datos cuánticos con hasta 100 qubits. El plan es que esté disponible de manera permanente para los usuarios externos en una ubicación central. Zurich Instruments es responsable de toda la electrónica de la temperatura ambiental y del software de medición y control del sistema multiqubit. Los participantes clave de este proyecto son el Centro de Investigación Jülich de Alemania, la universidad suiza ETH de Zurich y la Universidad Tecnológica Chalmers.

https://opensuperq.eu/

Biblioteca criptográfica botánica para la seguridad a largo plazo

Junto con nuestros socios el Fraunhofer Institute for Applied and Integrated Security (AISEC), TU Berlin y Nexenio, Rohde & Schwarz Cybersecurity está actualizando la biblioteca con algoritmos criptográficos capaces de resistir ataques de computadoras cuánticas.

https://botan.randombit.net/

OpenQKD

La Unión Europea ha establecido un consorcio de aprox. 40 participantes de 13 estados miembros que se dedican al proyecto QKD. El objetivo es crear una infraestructura para redes de pruebas y comunicaciones a fin de hacer viables la distribución de claves cuánticas. La Infraestructura Europea de Comunicación Cuántica (EuroQCI) continuará desarrollándose más en futuros proyectos de seguimiento.

https://openqkd.eu/

DemoQuanDT

El objetivo de este proyecto del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania es investigar, desarrollar y demostrar que un sistema de gestión de redes QKD es seguro dentro de una infraestructura de telecomunicaciones. A lo largo de este proyecto, las ciudades de Berlín y Bonn se unirán mediante una ruta de pruebas de comunicaciones cuánticas, la cual actuará como un demostrador. La visión es establecer la red cuántica más larga del mundo en Alemania.

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

Quarate

El proyecto Quarate está patrocinado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación. Su objetivo es utilizar una ventaja cuántica para superar los límites de la tecnología de radar convencional mediante la utilización de microondas cuánticas y métodos avanzados de correlación para mejorar la adquisición de datos. Entre los participantes del proyecto tenemos al Centro Aeroespacial Alemán (DLR), TU Munich (TUM), y el Walther Meißner Institute (WMI).

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