Newsletter DPT Nro. 98/100 - Julio/Septiembre
ISSN 2618-236X
Julio-Septiembre / 2024
NOTICIAS DESTACADAS
Naciones Unidas proclamó al 2025 como Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuántica
El potencial de la cuántica y sus aplicaciones para mejorar la vida humana
A casi un siglo de las revolucionarias contribuciones de Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg, la ciencia cuántica es el eje de significativos avances tecnológicos. Sus revelaciones sobre el “extraño” comportamientos de las partículas subatómicas permitieron desarrollar tecnologías fundamentales, incluidos los chips de silicio, el láser y los dispositivos inteligentes.
Con base en conceptos desafiantes, como la “superposición” y el “entrelazamiento”, la mecánica cuántica (*) allana el camino para procesar información a velocidades inimaginables (computación cuántica) e induce innovaciones revolucionarias en campos tan diversos como la eficiencia energética, la medicina personalizada, nuevos tratamientos farmacológicos, análisis de mercados financieros, gestión del cambio climático y sus efectos, optimización de procesos productivos y logísticos, así como en seguridad informática. La transición hacia una era cuántica demandará un claro compromiso con la equidad, la sostenibilidad y el bienestar colectivo.
Esta reseña comprende seis (6) artículos. El primero (1) se refiere a la proclamación oficial -por parte de las Naciones Unidas- del año 2025 como Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuántica (International Year of Quantum Science and Technology, IYQ). El segundo (2) trata sobre cómo la ciencia y la tecnología cuántica podrían cambiar la vida humana. En el tercero (3) se incursiona en cómo la tecnología cuántica revolucionará las tecnologías en distintos ámbitos de actividad. El cuarto (4) se refiere a: las primeras aplicaciones de la computación cuántica en el descubrimiento y predicción de eficacia y seguridad de materiales, catalizadores y fármacos. El quinto (5) trata sobre el uso de la computación cuántica en la investigación del ARN mensajero. En el sexto (6) se abordan las actuales perspectivas relativas a una Internet cuántica.
(*) Para disponer de una visión integradora de la mecánica y la computación cuántica, se sugiere ver:
“Quantum Computing: Lecture Notes” By Ronald de Wolf. arXiv:1907.09415v5 [quant-ph] 16 Jan 2023
Video: “La física cuántica explicada en menos de 5 minutos” BBC News Mundo. 26 abril 2020
1.- Primer artículo: Las Naciones Unidas proclamaron oficialmente al 2025 como Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuántica (IYQ) (1.1.) (1.2.) (1.3.)
El 7/06/2024 las Naciones Unidas proclamaron oficialmente al 2025 como Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuántica (International Year of Quantum Science and Technology, IYQ), durante el cual “se procederá, a través de iniciativas en todos los niveles, a aumentar la conciencia pública sobre la importancia de la ciencia cuántica y sus aplicaciones”. El año 2025 coincide con el primer centenario del nacimiento de la mecánica cuántica. Efectivamente, en 1925 se enunciaron dos enfoques diferentes pero equivalentes. Por un lado, Werner Heisenberg y Max Born desarrollaron la mecánica matricial y, por otro, Erwin Schrödinger formalizó la interpretación sustentada en la mecánica de ondas y su famosa ecuación de Schrödinger. Durante el siglo XX se avanzó mayormente en el desarrollo teórico, mientras que el siglo XXI se caracteriza por las aplicaciones cuánticas
El Año Internacional proclamado por la ONU ofrece una valiosa oportunidad para que los jóvenes, y las personas interesadas, exploren cómo la ciencia cuántica impulsa la innovación tecnológica, influye en las políticas gubernamentales, impacta en la economía global y permea en el arte y la cultura. La clave para encontrar nuevas ideas y soluciones radica en inspirar a los jóvenes para que utilicen la ciencia y tecnología cuántica para generar impactos positivos en la vida humana. En el artículo aquí reseñado se destaca que -hacia el futuro- la ciencia y la tecnología cuántica serán cruciales y transversales, con una gran influencia en los desafíos sociales críticos abordados por los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU para 2030, como el cambio climático, la energía, la seguridad alimentaria y el acceso a agua limpia.
Durante la preparación para 2025, cualquier individuo, grupo, organización, institución o gobierno puede contribuir con la misión del Año Internacional facilitando la creación de eventos o recursos que ayuden a mejorar la comprensión de la importancia e impacto de la ciencia y la tecnología cuántica. Eventos y recursos de todo el mundo serán destacados en el sitio web en 2025. Resulta claro que esta iniciativa global no solo celebra los avances ya logrados, sino que también promueve la colaboración internacional para abrir un nuevo capítulo en la búsqueda de soluciones a los desafíos más complejos de nuestra era. Es una invitación a explorar lo desconocido y a soñar con un mañana donde lo imposible se convierta en realidad mediante el poder de la ciencia cuántica.
2.- Segundo artículo: Cómo la ciencia y la tecnología cuántica cambiarán la vida humana (2)
Han pasado casi 100 años desde que los físicos Schrödinger y Heisenberg revolucionaron nuestra comprensión del universo. En lugar de un mundo regido por certezas, la teoría que desarrollaron describía un mundo difuso e incierto. Afirmaron que, a nivel microscópico, los átomos y las partículas subatómicas (electrones, fotones y otras) se comportan de manera impredecible, dado que pueden responder tanto a propiedades de partículas como de ondas, dependiendo de cómo se observen. Las propiedades cuánticas de las partículas están definidas por «funciones de onda», que ofrecen probabilidades de dónde puede encontrarse una partícula o cómo puede comportarse. Las partículas pueden hallarse en varios lugares a la vez y atravesar paredes sólidas. Aunque la mecánica cuántica se vio inicialmente como “extraña y desconcertante”, es hoy universalmente aceptada como la mejor descripción del mundo subatómico y de fenómenos que trascienden las leyes de la física clásica.
Además de haber explicado fenómenos anteriormente inexplicables, la teoría cuántica abrió las puertas a tecnologías revolucionarias como los semiconductores, los láseres o los teléfonos inteligentes. En resumen, la teoría cuántica ofrece una ventana a la naturaleza fundamental de la realidad, mostrando un universo donde la incertidumbre y la probabilidad son intrínsecas, desafiando nuestras nociones preconcebidas y expandiendo el horizonte de lo posible en ciencia y tecnología.
Dos conceptos básicos
Para entender el potencial revolucionario de la mecánica cuántica, es necesario comprender dos conceptos básicos sobre el comportamiento del mundo cuántico: (a) “superposición” y (b) “entrelazamiento”.
(a) La expresión “superposición cuántica” denota la capacidad de las partículas (como átomos, electrones o fotones) para estar en varios estados o en varios lugares al mismo tiempo, o para moverse simultáneamente en varias direcciones diferentes. Ello difiere notablemente de nuestra experiencia cotidiana, en la cual los objetos exhiben, en un momento, una localización y estado definido, y se mueven en una única dirección. En el mundo cuántico no podemos saber cuál es el estado de una partícula mientras no la observemos, pero al observarla imponemos nuestra certeza y su estado cuántico colapsa en un solo estado definido.
(b) La expresión “entrelazamiento cuántico” denota la capacidad de 2 o más partículas para unirse de una manera que la física clásica no puede explicar. Por ejemplo, en el caso de 2 partículas (A y B) separadas pero entrelazadas, cada una estará girando -al mismo tiempo- tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario. Pero al observar a la partícula A, se la fuerza a tomar un único estado; por ejemplo, a girar sólo en el sentido de las agujas del reloj. Eso hará que la partícula B gire sólo en la dirección opuesta. En principio, esto ocurre incluso si una de las partículas está en Marte y la otra en la Tierra. Este fenómeno es tan extraño que provocó el rechazo de Albert Einstein, quien lo describió como una “espeluznante acción a distancia”. La aplicación de este principio tiene implicaciones de gran alcance en el desarrollo de la tecnología de la información cuántica y la criptografía.
Los “extraños” conceptos de entrelazamiento y superposición son cruciales en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas. Las computadoras cuánticas resuelven problemas complejos a un ritmo enormemente más rápido que las más potentes computadoras convencionales. Junto con la computación cuántica, existe la posibilidad de desarrollar la detección cuántica. Se trata de sensores ópticos o magnéticos ultrasensibles que pueden utilizarse para una amplia gama de aplicaciones, desde alertas tempranas de terremotos o erupciones volcánicas, hasta imágenes cerebrales que podrían contribuir a combatir la demencia. Luego tenemos la comunicación cuántica y el cifrado (o encriptado) cuántico, que seguramente revolucionará la seguridad informática.
3.- Tercer artículo: La tecnología cuántica revolucionará las tecnologías en distintos ámbitos (3.1.) (3.2.)
La revolución cuántica está en marcha y cambiará todo, desde la medicina y el estudio del cambio climático hasta la exploración espacial y la seguridad nacional. Frente a la previsión de que la supremacía cuántica determinará el futuro de la economía global, hoy, EE.UU. y China, compiten por tal supremacía.
En materia informática, mientras que un bit digital sólo puede adoptar 2 estados (O ó 1), los “bits cuánticos (qubits ó cubits)” pueden adoptar –con base en el principio de superposición cuántica- 4 estados diferentes, tales como 1 ó 0, pero también 0 y 1 a la vez. Eso significa que un sistema cuántico puede aumentar exponencialmente la potencia informática.
Perspectivas
Cuando la tecnología cuántica una sus fuerzas con la inteligencia artificial (IA), permitirá profundizar el análisis de datos en aplicaciones de IA, desde el diseño de nuevos medicamentos hasta la modelización avanzada del cambio climático. La IA, por su parte, podrá acelerar las soluciones a los problemas de “ruido” (lecturas falsas generadas por las fluctuaciones de qubits) de las computadoras cuánticas existentes y crear mejores diseños para las futuras. Este será el inicio de una era posdigital en la que no sólo habrá una Internet cuántica sino también ciudades cuánticas surgiendo en todo el mundo, incluso en el espacio. La pregunta clave es qué países dominarán esta “Era Cuántica Posdigital”, ya que podría estar en juego el futuro de las economías del mundo, e incluso la libertad misma.
4.- Cuarto artículo: Computación Cuántica: Primeras aplicaciones en descubrimiento y predicción de eficacia y seguridad de materiales, catalizadores y fármacos (4.1.) (4.2.)
Quantinuum es una de las muchas empresas que prevén que las aplicaciones en química (en particular la búsqueda de nuevos fármacos y catalizadores) estarán entre las primeras tareas prácticas para las computadoras cuánticas. Las propiedades de los compuestos químicos se rigen por la formación y ruptura de enlaces químicos, el movimiento de los electrones y los comportamientos magnéticos, todo lo cual está dictado por la mecánica cuántica.
Dadas las limitadas capacidades de las actuales computadoras cuánticas, son usuales los enfoques híbridos que combinan computación cuántica y digital. En 2022, investigadores de Google presentaron un algoritmo híbrido que podía calcular los estados fundamentales de hasta 120 electrones que interactúan en sustancias como el dinitrógeno (nitrógeno molecular) y el diamante sólido. El algoritmo utilizó una computadora digital para explorar variaciones aleatorias en las interacciones de los electrones y una computadora cuántica para guiar al sistema hacia un resultado preciso. Los químicos ahora están impulsando configuraciones híbridas hacia el descubrimiento de nuevos materiales y catalizadores, e incluso para comprender las (hoy intrigantes) reacciones impulsadas por la luz.
En el corto plazo, la computación cuántica podría tener su mayor impacto en el descubrimiento y desarrollo de fármacos, que hoy insume mucho tiempo, inversión y costo. Con la expectativa de acelerar dichos procesos, varios gigantes de la industria farmacéutica -como Roche, Pfizer, Merck, Biogen y otros- se asociaron con empresas de computación cuántica. Algunas de esas asociaciones están comenzando a generar resultados. Pero también prevén poder pronosticar -antes de los ensayos en humanos- qué fármacos candidatos fracasarán, lo cual podría resultar en cuantiosos ahorros para las empresas.
5.- Quinto artículo. Uso de computación cuántica en la investigación del ARN mensajero (5.1.) (5.2.)
Se prevé que los computadores cuánticos servirán, entre múltiples aplicaciones, para diseñar nuevos fármacos y materiales con propiedades inéditas. También contribuirán a catapultar el desarrollo de la inteligencia artificial (IA)., Si bien los actuales prototipos carecen de sistemas infalibles de corrección de errores, ya están generando valiosos aportes en algunas áreas de investigación.
Un equipo de investigadores de la empresa Moderna y del laboratorio de investigación en computación cuántica de IBM está utilizando máquinas cuánticas para predecir la estructura secundaria del ARN mensajero. En el artículo aquí reseñado se focaliza en el rol del ARN mensajero como intermediario entre el ADN y las proteínas, y en su papel protagónico en la expresión de los genes. Predecir con precisión la estructura secundaria del ARN mensajero es crucial, tanto para entender cómo se regulan y degradan los genes, como para diseñar tratamientos eficaces utilizando el ARN mensajero. Pero concretar tal predicción es sumamente costoso en términos de esfuerzo computacional. Para lograrlo, los investigadores de Moderna e IBM utilizaron -como procesadores cuánticos- el ‘Eagle’, que tiene 127 cúbits, y ‘Heron’, dotado de 133 cúbits con una frecuencia fija entre 3 y 5 veces más potente que ‘Eagle’.
6.- Sexto artículo: Hacia una Internet cuántica (6)
En julio de 2020 el DOE (Departamento de Energía de EE.UU.) hizo pública su estrategia para propiciar el desarrollo de tecnologías para desplegar una internet cuántica, junto con el compromiso de invertir inicialmente U$S 625 millones en este proyecto. El despliegue de una infraestructura de comunicaciones cuánticas, con un alcance equiparable al de la actual red internet, permitirá transferir –instantáneamente- grandes volúmenes de información. Además, la trasmisión de datos será inherentemente segura debido a que el entrelazamiento entre los nodos involucrados se rompe si la comunicación es vulnerada u observada de alguna forma.
Cuando se concrete una infraestructura de comunicaciones cuánticas, ésta seguramente convivirá con la actual Internet de la misma manera que los computadores cuánticos convivirán armónicamente con los supercomputadores digitales clásicos. Ello convoca a preguntar en qué aplicaciones tiene sentido recurrir a una concepción cuántica de internet, y la respuesta emerge de las dos propiedades de esta red: su capacidad para transferir grandes volúmenes de datos de forma instantánea y la invulnerabilidad inherente de las comunicaciones cuánticas. De hecho, si finalmente esta infraestructura llegara a ser implementada, será posible interconectar tantos cúbits que -en cierto modo- la misma internet cuántica se comportará como un gigantesco computador cuántico dotado de millones de cúbits.
Referencias:
(1.1.) “International Year of Quantum Science and Technology IYQ”. UNESCO
(1.2.)“The United Nations Proclaims 2025 as the International Year of Quantum Science and Technology: The declaration recognizes the potential of quantum science to drive innovations in sustainable development and global communication” APS125. American Physical Society (APS). June 07, 2024
(1.3.) “2025: la revolución cuántica llega con fuerza: El año 2025 ha sido declarado Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuántica, por las Naciones Unidas. Descubre todo sobre esta iniciativa”. Por Eugenio M. Fernández Aguilar. Muy Interesante. Ciencia. 11.06.2024
(2) “Guía sencilla para entender la alucinante tecnología cuántica que cambiará nuestras vidas” Por Jim Al-Khalili. Role, BBC Ideas y Open University. BBC News Mundo.12 mayo 2024
(3.1.) “The Quantum Revolution Is Now” By Arthur Herman. Korea Herald. Feb 29, 2024
(3.2.) “La tecnología cuántica revolucionará la vida del ser humano: Se ha demostrado que su estudio ha potenciado aplicaciones que sirven para prevenir catástrofes, diagnosticar enfermedades, y reforzar la ciberseguridad” Por Dylan Escobar Ruiz. Infobae. 13 May, 2024
(4.1.) “Practical uses for quantum computers are emerging in chemistry, promising to speed the development of materials, catalysts, and drugs” By Robert F. Service. Science. 30 May 2024. A version of this story appeared in Science, Vol 384, Issue 6699. DOI: 10.1126/science.zlxq0ls
(4.2.) Quantinuum: https://www.quantinuum.com/
(5.1.) Fuente primaria: “mRNA secondary structure prediction using utility-scale quantum computers” Dimitris Alevras, Mihir Metkar, Takahiro Yamamoto, Vaibhaw Kumar, Triet Friedhoff, Jae-Eun Park, Mitsuharu Takeori, Mariana LaDue, Wade Davis, Alexey Galda. Arxiv. Quantum Physics. 30 May 2024. Quantum Physics (quant-ph). arXiv:2405.20328v1 [quant-ph]. DOI: 10.48550/arXiv.2405.20328
(5.2.) Fuente secundaria: “Los ordenadores cuánticos aplacan las críticas: ya están siendo utilizados para resolver problemas reales: Los ordenadores cuánticos plenamente funcionales tendrán la capacidad de enmendar sus propios errores. Por Juan Carlos López. Xataka. 6 Junio 2024
(6) “Los ordenadores cuánticos prometen. La auténtica revolución llegará con una internet cuántica que ya viene” Por Juan Carlos López. Xataka. 23 Junio 2024
