La ingeniería hace viable lo que la física propone como posible, y lo posible para la ciencia física lo determinan las leyes naturales con las que hemos aprendido a controlar y manipular los ingredientes fundamentales que conforman el universo físico: la materia y la energía. Con ambos y con el conocimiento heredado de la evolución del pensamiento humano, se hace viable confeccionar desde la ingeniería los desarrollos tecnológicos posibles. La escala en la que se trabaja con estos ingredientes clasifica a la física en clásica o cuántica, respectivamente.
La primera se hace cargo de proporcionar conocimiento físico del mundo a partir de las leyes de la mecánica de Newton, del electromagnetismo de Maxwell, la teoría del calor, la óptica y demás con las que se elaboran las teorías y nos familiarizamos en nuestra formación básica y universitaria. Estas teorías juegan un papel fundamental en la construcción del mundo que hoy conocemos. De otra parte, la física cuántica está relacionada con los átomos, las moléculas y entidades que pertenecen a la escala invisible del interior de la materia, en la que la física clásica no tiene validez.
El comportamiento de los objetos o formas cuánticas es completamente diferente al de los objetos clásicos que observamos a nuestro alrededor. Este comportamiento contraintuitivo, propio de la escala de los objetos y fenómenos cuánticos, ofrece extraordinarias posibilidades en el desarrollo de tecnologías y procesos propios de la ingeniería. Así, el hecho de que un determinado objeto cuántico pueda encontrarse simultáneamente en dos estados a la vez, si no es perturbado, conocido como superposición cuántica, es aprovechado para trascender la computación clásica, que opera con unidades de información denominadas bits. Un bit tiene únicamente dos valores asignados, 0 o 1. En el caso cuántico, se hace posible contar con una unidad de información más robusta: el qubit, el cual puede, además de los valores 0 y 1, contener una superposición 0 y 1.
Es de trascendental importancia controlar y manipular un sistema cuántico sin destruirlo. Este fue uno de los principales retos de la física experimental hasta que los físicos Serge Haroche y David Wineland, con propuestas diferentes, encontraron la manera de hacerlo posible. Por esta notable contribución recibieron el Premio Nobel de Física en 2012. La propuesta del profesor Haroche, quien comparte estos avances en una visita a la Pontificia Universidad Javeriana el próximo lunes 17 de junio, ha sido pionera en la óptica cuántica orientada a controlar la interacción de la luz con la materia. Estos adelantos investigativos han contribuido sustancialmente a viabilizar la tecnología cuántica, específicamente la posibilidad de desarrollar computadores cuánticos, sistemas de comunicación y criptografía, entre otras potenciales aplicaciones que harán realidad la tecnología cuántica.
¿Por qué es inevitable la transición hacia este tipo de tecnología? La evolución de la ingeniería se encuentra drásticamente determinada por el desarrollo de capacidades para manipular la materia y la energía a escalas cada vez más cercanas a los átomos. Ha existido una clara tendencia hacia la miniaturización y operación de los diferentes componentes mecánicos, electrónicos, electroquímicos, entre otros. Por mencionar un caso específico, desde 2003 la manufactura de procesadores redujo su escala por debajo de los 100 nanómetros (recordemos que un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro). En 2014 se logró la confección de procesadores en escala de 14 nanómetros y se espera a finales de este año logros en la manufactura de 10 nanómetros.
Estos procesadores de manufactura -10 nm, que incorporarán notables mejoras en rendimiento, autonomía y conectividad para los futuros desarrollos de la industria 5.0 de telecomunicaciones (5G), marcarán una importante aproximación a los dominios de validez de la física cuántica. De otra parte, sobresalen también los avances en computación cuántica que ya se están posicionando estratégicamente como la punta de lanza de la industria informática para los próximos años, tal como lo demuestra la reciente presentación de Q System One, el primer ordenador para potencial uso comercial elaborado por IBM y lanzado en la Feria de Tecnología CES, de Las Vegas, ; los computadores de su tipo abrirán campo a un sinfín de aplicaciones en ciencia básica e ingeniería. Al igual que la computación, las telecomunicaciones y la ciberseguridad transitarán hacia un desarrollo de capacidades sin precedentes.
La metrología, que se ocupa de todo lo relacionado con mediciones, unidades de medida y los correspondientes equipos que se requieren para hacerlas, será afectada drásticamente por el nuevo paradigma cuántico. Todos estos avances marcan una clara transición hacia la denominada segunda revolución cuántica, que causará un profundo impacto en la sociedad del siglo XXI.
Somos una sociedad del conocimiento que basa su interacción racional con el mundo a partir del consenso adquirido de la ciencia clásica, la cual nos otorga la capacidad para comprender los fenómenos y aplicar un conocimiento basado en la predicción, causalidad y en el determinismo. Desde la ingeniería, esto ha sido hasta ahora suficiente para alcanzar el sorprendente estado de desarrollo del que somos beneficiarios. Existen, sin embargo, una serie de problemas aún sin resolver y muchas necesidades científicas y tecnológicas pendientes. Cuando la nueva tecnología cuántica alcance algún grado de madurez, será posible el diseño de estrategias para asumir el reto energético y ambiental. También será viable la simulación de sistemas que pertenecen al dominio de validez cuántica.
Por otra parte, aportar invaluables capacidades a los servicios financieros y optimización de procesos permitirá resolver el plegamiento de proteínas, un problema que trasciende la computación clásica, así como el diseño de nuevos medicamentos y protocolos para tratamiento y diagnóstico en el área de la salud, estrategias para combatir el deterioro de materiales utilizados en el sector industrial, el diseño atómico y molecular para descubrimiento y manufactura de nuevos materiales, y el desarrollo de sistemas y protocolos de seguridad de alta calidad.
En la actualidad, un elevado número de empresas entre las que se incluyen Google, IBM, Intel, Microsoft, Nokia, NEC, Hitachi, HP, han dado lugar a un ecosistema que generará un importante volumen de productos y soluciones derivadas de las tecnologías de información y comunicación cuánticas. Algunos de los usuarios potenciales que se están integrando a esta oferta pertenecen a compañías automotrices, de servicios informáticos, de productos químicos y farmacéuticos.
Este panorama de transición plantea la necesidad de preparar al ingeniero para asumir los retos de la segunda revolución. En países como Colombia se requiere avanzar en infraestructura experimental para investigación cuántica, necesaria para propiciar una mayor oportunidad de innovación y desarrollo endógeno en estas tecnologías disruptivas. De otra parte, urge incrementar la apertura de espacios de formación en cuántica para estudiantes de pregrado en ingeniería.
Sobre este aspecto, la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana cuenta con un espacio académico para la cuántica, ofrecido a estudiantes de cualquier semestre y sin pre-requisitos especiales. Aquí se aborda el fascinante mundo de la cuántica, sus implicaciones en la concepción del mundo, la formalización, computación clásica y cuántica, y todos los elementos requeridos para que el estudiante pueda, entre otras opciones, interactuar con las herramientas ya disponibles y programar el computador cuántico ofrecido en la nube, área en la cual ya se han realizado interesantes trabajos de investigación. Estamos realizando trabajos de grado y propiciando la incorporación en formación de posgrado en estas áreas del conocimiento que nos dan la bienvenida al futuro.
*Doctor en física, investigador del Instituto Geofísico, adscrito a la Facultad de Ingeniería en la Pontificia Universidad Javeriana.
