Escrito por Tendenzias

Computación cuántica en Argentina

Publicado en la versión papel en Information Technology. Diciembre de 2013. Nº 195

La computación cuántica es una de las fronteras del conocimiento más emocionantes de nuestro tiempo. El manipular las partículas más elementales de la naturaleza para poder guardar y transmitir información, o para utilizarlas como una súper máquina de calcular es algo en lo que los físicos vienen trabajando desde hace décadas, por lo que esa frontera se viene corriendo lentamente, pero todavía no se ha traspasado.

Lo que la mayoría imagina o espera, cuando se toca este tema, que es un gran ordenador o una computadora personal que funcione con sistemas cuánticos, por ahora están sólo en planes teóricos. En la práctica se han alcanzado pasos previos, que son los de utilizar la mecánica cuántica para seguridad informática, como por ejemplo en la criptografía.

Fernando Lombardo “En Argentina, hay un grupos de fuerte tradición teórica que trabajan en el tema desde hace varios años, entre los que está el grupo de Información Cuántica y Fundamentos Cuánticos del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA), dirigido por el Dr. Juan Pablo Paz”, nos contó Miguel Larotonda, investigador de CITEDEF-CONICET.

“Por una iniciativa del Dr. Paz y el Dr. Alejandro Hnilo, de CITEDEF”, sigue Larotonda, “en 2006 se comenzó a trabajar para armar un laboratorio de Óptica Cuántica en el que se estudiarían, entre otras cosas, implementaciones fotónicas de algoritmos cuánticos, y desarrollos de nuevas fuentes de luz que funcionen como herramientas para información cuántica. Yo volví a la Argentina a fines de 2006 para trabajar en el tema y actualmente dirijo ese laboratorio. En ese sentido fuimos un poco pioneros. Durante los últimos 3 o 4 años otros laboratorios comenzaron a trabajar en otros aspectos del procesamiento cuántico de la información, como el Laboratorio de Procesamiento de Imágenes del Departamento de Física, de la UBA”.

Computando cuántos

“La computación cuántica se refiere a cómo haces cómputos, cálculos, algoritmos, cómo manejas a los sistemas cuánticos para hacerlos hacer lo que vos queres”, nos cuenta Fernando Lombardo, profesor de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA e investigador independiente del Conicet, quien trabaja desde la teoría básica sobre los problemas a los que se enfrenta la computación cuántica. “Vos necesitás hacer un cálculo o encriptar un mensaje, o desencriptar un mensaje, entonces vos escribís un programa, y lo ejecutás. La computación cuántica sería, el diseño del soft y la ejecución del soft. Para lograr un determinado objetivo”.

“Lo fundamental en toda esta historia”, sigue Lombardo. “Es que la mecánica cuántica, por su naturaleza, tiene características muy distintas a la mecánica clásica, que permitirían, en principio, utilizar ciertos recursos de una manera mucho más eficiente, exponencialmente más rápida, que la manera de encriptar información o de trabajar con una computadora de las que nosotros conocemos”.

¿Dónde está la diferencia entre lo cuántico y lo clásico? “La diferencia está en lo que nosotros llamamos el principio de superposición”, explica Lombardo. “Un sistema cuántico puede estar descripto por una superposición de diferentes estados. Por ejemplo, si tenes una partícula cuántica en un dado instante, esta puede tener un 50 por ciento de probabilidades de estar acá y al mismo tiempo un 50 por ciento de probabilidades de estar en otro lado. Entonces, eso que parece muy alejado del sentido común, es la naturaleza propiamente dicha, cuando te metes a estudiar las partículas elementales”.

“La computación cuántica o la información cuántica, lo que necesita, es valerse de ese principio de superposición, de esas probabilidades, para un objetivo”, continúa Lombardo. “Si vos lográs dominar eso, vos tenes muchísimas más alternativas de cálculo, justamente por esa superposición que vos tenes instante a instante, tenes un montón de posibilidades más que en la computación clásica, dónde vos tenes una sola posibilidad por cada instante”.

Aplicaciones cuánticas

“Yo empecé a trabajar en computación cuántica hace mucho tiempo”, dice Juan Pablo Paz, profesor titular del departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, e investigador principal del CONICET. “Mis primeros trabajos aparecieron en el año 95. La primera tesis doctoral de computación cuántica en la Argentina fue Cesar Miquel, que terminó en el año 2000. Nosotros hicimos varios trabajos sobre algoritmos cuánticos, la teoría de corrección de errores. Distintas implementaciones de computadoras cuánticas”.

“Desde 2005 que regresé de Estados Unidos”, continúa Paz, “nos pusimos el objetivo de armar un laboratorio de óptica cuántica, además de seguir con toda la rama teórica de algoritmos cuánticos, y eso se hizo en CITEDEF. Es un laboratorio realmente nuevo que ahora está en pleno funcionamiento. Dónde hicimos varios experimentos originales, que tuvieron la virtud de ser la demostración experimental de métodos teóricos que habíamos propuesto nosotros”.

“Actualmente”, nos cuenta Miguel Larotonda, “en el laboratorio hay dos líneas de trabajo, una de sesgo más básico y otra más aplicada. Ambas tratan el tema de la implementación experimental de algoritmos cuánticos. Tenemos armado un experimento, que está a nivel de prototipo, con el cual implementamos un proceso que se llama distribución cuántica de claves. Esto es: generamos una clave criptográfica entre dos partes, con un protocolo basado en reglas de la mecánica cuántica, que garantizan la seguridad de la clave generada. Esta clave compartida puede ser usada luego por las partes para encriptar y descifrar un mensaje. Los protocolos de distribución cuántica de claves son una de las únicas aplicaciones prácticas de la información cuántica. Este sistema lo presentamos al concurso Innovar 2013 y ganamos uno de los premios en la categoría Investigación Aplicada”.

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“Estos dispositivos de distribución cuántica de claves se pueden comprar”, nos cuenta Juan Pablo Paz. “Hay varias empresas que los comercializan, ya. La más famosa es una empresa que está en Ginebra, que se llama ID Quantique. Y hay varias más”. Y ahora ya existe un prototipo en Argentina.

Obstáculos cuánticos

Juan Pablo Paz Foto: Diana Martinez Llaser Pero cualquier aplicación que se quiera derivar de la computación cuántica se enfrenta a un problema: “es muy vulnerable a la interacción entre la computadora y el medio ambiente”, dice Paz, “entonces hay que proteger activamente la información mediante lo que se conoce como código de corrección de errores. Pero para eso es necesario saber bien cuáles son las fuentes de errores. Nosotros desarrollamos algoritmos eficientes para caracterizar esas fuentes de errores y los pusimos a prueba en los primeros experimentos originales que hicimos acá”.

“Una partícula cuántica no está aislada, sola, si fuese así, tendría todas las alternativas posibles para sus diferentes estados conviviendo”, explica Fernando Lombardo.

“Pero están rodeadas de interacciones de otras partículas, de átomos de moléculas que están chocando. Todas esas interacciones, producen sobre la partícula cuántica una cosa que es lo que yo trabajo con Paula Villar, que es lo que se llama decoherencia. O sea, los sistemas cuánticos, por culpa de las interacciones, pierden coherencia. De todos esos posibles estados de superposición, un montón se pierden, desaparecen, y entonces el estado termina siendo único. Lo que le sacaría lo interesante a lo cuántico, que es tener todas las alternativas posibles. Desde el punto de vista de la gente que estudia computación cuántica le sirve también. Para ellos la decoherencia es el enemigo”, aclara Lombardo.

“El camino hacia la computadora cuántica todavía no está del todo abierto”, concluye Juan Pablo Paz, “no se sabe cómo es que se va a llegar. Hay distintas tecnologías en pugna, distintas híbridas que se están desarrollando, pero todavía no hay computadoras cuánticas. Ni siquiera prototipos demasiado grandes”. Miguel Larotonda opina “Personalmente no creo que nunca vaya a haber un sistema tal como un “computadora cuántica” personal, u hogareña, ni mucho menos. Probablemente vayan surgiendo sistemas cada vez más complejos que sean capaces de resolver problemas muy específicos en forma muy eficiente”.

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