Donde están las oportunidades de las tecnologías cuánticas

Aunque la computación cuántica está en los titulares, dos tecnologías relacionadas -la detección cuántica y la comunicación cuántica- podrían llegar antes al mercado y transformar potencialmente múltiples sectores.

La computación cuántica (CC), una de las tecnologías más revolucionarias de nuestro tiempo, está a una década de distancia de su aplicación comercial generalizada, según nuestro reciente análisis. Menos conocidas, pero también importantes, son dos tecnologías relacionadas que podrían estar disponibles mucho antes: la detección cuántica (QS) y la comunicación cuántica (QComm).

Todos los sistemas cuánticos son increíblemente complejos, pero sus beneficios son sencillos. La QC disminuye exponencialmente el tiempo de procesamiento, en muchos casos, lo que permite resolver problemas antes intratables. La QS permitirá realizar mediciones más precisas y podría ofrecer una mayor accesibilidad que los sensores actuales (por ejemplo, mediante la miniaturización de los dispositivos). El QComm permitirá crear protocolos de encriptación muy potentes que podrían aumentar considerablemente la seguridad de la información sensible, y también hará posible algunas funciones críticas de la informática cuántica (para más información sobre los fenómenos cuánticos que subyacen al QC, al QS y al QComm, véase el recuadro «El salto tecnológico»).
Con sus capacidades únicas, el QC, el QS y el QComm podrían transformar múltiples mercados, como la computación de alto rendimiento, la navegación, los productos farmacéuticos y las imágenes médicas. Muchos gigantes tecnológicos y empresas de nueva creación ya han invertido considerablemente en tecnologías cuánticas, con acuerdos confirmados y anunciados para 2021 que suman unos 2.100 millones de dólares. La mayor parte de la financiación se destina a las iniciativas de QC, pero un reciente acuerdo de cientos de millones para QComm, en el que participa una empresa de adquisiciones de propósito especial, muestra que las demás tecnologías cuánticas están empezando a atraer un interés significativo. Esperamos que QComm y QS atraigan aún más fondos en el futuro, aunque es poco probable que alcancen los mismos niveles que QC porque los mercados de estas tecnologías son más pequeños.

La carrera por liderar los sectores de QS y QComm se intensificará pronto a medida que más competidores hagan sus apuestas. Aunque sigue habiendo mucha incertidumbre, las empresas con más probabilidades de perseverar son las que traducen las tecnologías cuánticas en aplicaciones del mundo real con un amplio atractivo. Sin embargo, como ocurre con cualquier tecnología naciente, los inversores pueden tener dificultades para identificar las tecnologías que entran en esta categoría. Los prototipos prometedores pueden tropezar con problemas técnicos a medida que avanza la I+D, o la demanda de nuevos productos puede no alcanzar las expectativas iniciales. El calendario es también una consideración importante para los inversores, ya que deben determinar si deben hacer sus apuestas antes de que una tecnología haya alcanzado la madurez o después de que se comercialice.

Aunque la inversión en tecnologías cuánticas conlleva un elemento de riesgo, los beneficios potenciales son elevados. Para 2030, sólo la EQ y la QComm podrían generar 13.000 millones de dólares de ingresos, y esa cantidad podría crecer sustancialmente en años posteriores. Para ofrecer más claridad a los inversores a la hora de trazar el camino a seguir, hemos explorado el panorama del mercado de la EQ y la QComm, analizando tanto las oportunidades como los retos. También identificamos cuestiones críticas sobre la tecnología, el riesgo y la demanda del mercado que los inversores pueden tener en cuenta a la hora de asignar fondos.

Panorama de las tecnologías cuánticas

El QC, el QS y el QComm pueden utilizarse de forma independiente o combinada (Recuadro 1). Cuando el QC esté disponible comercialmente, puede impulsar la demanda del mercado de QComm y potencialmente de QS. Por ejemplo, QComm puede utilizarse para conectar ordenadores cuánticos y obtener una potencia de cálculo aún mayor mediante el procesamiento en paralelo.

La simulación cuántica, otra tecnología cuántica, se denomina a veces computación cuántica de propósito especial. Consiste en simular actividades y sus consiguientes resultados en sistemas físicos. La simulación cuántica podría tener aplicaciones en el ámbito de la investigación, como la resolución de problemas de optimización matemática. La tecnología subyacente necesaria para realizar simulaciones cuánticas ya está disponible, pero los expertos no se ponen de acuerdo sobre si las simulaciones que son posibles hoy en día ofrecen una ventaja cuántica.

Sensores cuánticos

Los sensores cuánticos pueden medir diferentes propiedades físicas, como la temperatura, el campo magnético y la rotación, con una sensibilidad extrema. Su precisión se debe a la sensibilidad de los estados cuánticos a pequeños cambios en el entorno. Algunos sensores cuánticos pueden medir cantidades mucho más pequeñas que los sensores actuales, mientras que otros proporcionan una mejor resolución cuando se capturan imágenes. Los sensores cuánticos, una vez optimizados y reducidos en tamaño, también podrán medir datos que no pueden ser captados por los sensores actuales, que son demasiado grandes para caber en el lugar deseado o carecen de la funcionalidad necesaria.

Existen dos generaciones de sensores cuánticos. La primera, que incluye dispositivos como los relojes atómicos de microondas y los dispositivos de interferencia cuántica superconductores (SQUID), está disponible desde hace décadas. La segunda generación, que incluye sensores de gravedad, sensores de vacancia de nitrógeno (NV) y otras innovaciones, acaba de surgir. Las aplicaciones de EQ de segunda generación se dividen en al menos ocho aplicaciones, y difieren en cuanto a niveles de madurez y potencial de mercado (Recuadro 2). Las aplicaciones de EQ más competitivas serán aquellas para las que no existe ninguna alternativa tecnológica. También es más probable que las aplicaciones de EQ ganen adeptos si proporcionan una mayor sensibilidad que los sensores actuales a un precio comparable o inferior al de las tecnologías alternativas.
Cada aplicación de EQ de segunda generación tiene requisitos técnicos diferentes, y algunas deben superar mayores obstáculos de desarrollo que otras. También varían en cuanto a las ventajas que aportan. Dentro de la espectroscopia, por ejemplo, los sensores cuánticos podrían proporcionar imágenes más precisas de las estructuras moleculares, como las proteínas, en comparación con los microscopios electrónicos disponibles actualmente. Las aplicaciones de QS también pueden capturar imágenes a nivel de átomo, donde es menos probable que los artefactos oscurezcan la imagen. La EQ también podría contribuir a aumentar la sostenibilidad, ya que permite controlar las emisiones de CO2 mediante mediciones más precisas y localizadas.1 Además, el consumo de energía puede ser rastreado y optimizado cuando la EQ se integra en los edificios inteligentes.

Comunicación cuántica
QComm está diseñado para transferir información cuántica codificada entre lugares distantes a través de una red de comunicación cuántica. Permite las siguientes funciones:

Seguridad total. Las aplicaciones de QComm garantizan una protección completa cuando la información se transfiere entre lugares. El método más popular, la distribución de claves cuánticas (QKD), consiste en asignar a diferentes personas una clave confidencial compartida para acceder a los datos. Los protocolos de encriptación cuántica son más seguros que los protocolos clásicos, la mayoría de los cuales se romperán una vez que los ordenadores cuánticos obtengan una potencia de cálculo significativamente mayor o algoritmos más eficientes. La forma más común de cifrado clásico, RSA, será vulnerable una vez que estén disponibles los primeros ordenadores cuánticos relativamente maduros. Los métodos de cifrado clásicos que podrían resistir la prueba de los ordenadores cuánticos no son óptimos. Stephanie Wehner, jefa de la hoja de ruta de la iniciativa Quantum Internet and Networked Computing de QuTech, señaló: «Sabemos matemáticamente que nunca ofrecen el mismo tipo de seguridad que el QKD».
Potencia de computación cuántica mejorada. QComm permite dos importantes tipos de procesamiento cuántico. En el procesamiento cuántico paralelo, se conectan varios procesadores y ejecutan simultáneamente diferentes cálculos desglosados de un problema mayor. Por ejemplo, al calcular la distancia de la ruta entre 15 ciudades diferentes, un ordenador clásico calcularía secuencialmente la longitud de la distancia entre cada ciudad y luego sumaría estas cantidades. En el procesamiento cuántico paralelo, la distancia entre cada ciudad se calcularía simultáneamente. En la computación cuántica ciega, QComm proporciona un acceso seguro a ordenadores cuánticos remotos a gran escala en la nube. Los ordenadores remotos no tienen acceso completo a la información que están procesando, para aumentar la seguridad.
El objetivo final de QComm es establecer una Internet cuántica. La mayoría de las zonas dependerán de las redes de fibra óptica, que son fiables pero caras, aunque los proveedores pueden aprovechar las redes de fibra existentes. La transmisión de información cuántica a lo largo de distancias cortas (menos de 500 metros) ya es posible mediante redes de fibra óptica. La transmisión a mayores distancias no será factible hasta que los investigadores creen repetidores cuánticos plenamente funcionales, que son dispositivos que amplifican las señales y reducen la cantidad de información que se pierde durante la transmisión. Esperamos que estos repetidores cuánticos estén disponibles en la próxima década.

Para algunas comunicaciones de larga distancia, como las transmisiones a través del océano, QComm puede depender de los satélites para facilitar la transmisión. Sin embargo, los satélites no son adecuados para todos los lugares, como los que presentan condiciones meteorológicas extremas. La creación de redes de satélites y la correspondiente infraestructura terrestre necesaria para el QComm también presenta muchos retos que los investigadores aún están tratando de resolver.

La cadena de valor de la detección y la comunicación cuánticas
Hemos dividido los mercados de QS y QComm en segmentos a lo largo de la cadena de valor para evaluar su madurez actual y sus posibles oportunidades de crecimiento. Ambos mercados tienen tres segmentos en común:

Componentes. Este segmento se compone de los componentes de hardware: láseres, detectores, criostatos, fibras especializadas y otras tecnologías. Algunas empresas ya generan importantes ingresos a través de la venta de estos productos a grupos de investigación y empresas de nueva creación; otras ofrecen productos en el mercado comercial más amplio, aunque todavía no han desarrollado soluciones de botón que no requieran complicados procedimientos de configuración o montaje.
Hardware. El hardware de la EQ incluye varios dispositivos, como relojes atómicos cuánticos y magnetómetros, que miden las propiedades físicas utilizando diferentes tecnologías de bits cuánticos (qubit) (Recuadro 3). Por ejemplo, los qubits de iones atrapados miden el tiempo, la rotación y la fuerza del campo eléctrico; los qubits fotónicos -que transmiten la información en forma de señales ópticas, en lugar de eléctricas- pueden medir la temperatura y la posición mecánica. El mercado de hardware de QComm está mucho menos fragmentado porque todas estas aplicaciones dependen de la fotónica como tecnología de qubits. Sin embargo, sigue siendo muy competitivo y algunos actores están intentando construir los repetidores cuánticos y las redes de satélites totalmente funcionales que se necesitan para la comunicación intercontinental.
Software. En el caso de la EQ, el software se utiliza para integrar las tecnologías de detección en aplicaciones y servicios, como los sistemas de navegación. Actualmente cuenta con pocos actores, ya que depende de la disponibilidad del hardware adecuado. En el caso de la QComm, la mayor parte del software consiste en la codificación cuántica de servicios como el correo electrónico o las transferencias bancarias. El segmento del software está relativamente inmaduro, pero varias empresas de nueva creación están intentando ampliar sus operaciones. Algunas organizaciones ya han empezado a utilizar la criptografía cuántica, y podrían seguirle más, especialmente en sectores en los que la comunicación segura es primordial.
Más allá de los componentes, el hardware y el software, la cadena de valor de QComm incluye otros dos segmentos: las operaciones de redes cuánticas y los servicios cuánticos. Los operadores de redes, que ahora son relativamente pocos, proporcionan y mantienen redes cuánticas a gran escala, incluidos los cables de fibra necesarios. La necesidad de sus servicios será muy limitada hasta que el hardware de QComm madure. Dentro de los servicios cuánticos, varias empresas ofrecen ahora asesoramiento sobre los aspectos tecnológicos y empresariales del QComm.

Algunas organizaciones ya han empezado a utilizar la criptografía cuántica, y otras podrían seguirla, especialmente en sectores en los que la comunicación segura es primordial.

En general, los plazos de desarrollo y comercialización de los productos de EQ y QComm son difíciles de predecir porque el progreso depende de los avances científicos. Por ejemplo, algunos sensores cuánticos tienen dificultades para funcionar fuera del entorno protegido del laboratorio porque son muy sensibles. La adopción generalizada también depende de la optimización de los dispositivos, especialmente en cuanto a tamaño y peso. También es fundamental reducir el coste, ya que los posibles compradores pueden no querer pagar un precio más alto por las tecnologías cuánticas, a pesar de su mayor precisión, si existen soluciones alternativas.

Aunque quedan muchos obstáculos por delante, las soluciones cuánticas podrían generar importantes ingresos durante la próxima década. Incluso podrían aportar valor antes de que se produzca la optimización de los dispositivos, ya que los investigadores podrían descubrir muchos usos provisionales para las soluciones actualmente disponibles. QComm podría proporcionar una conexión segura a Internet entre determinadas ciudades, por ejemplo, mientras se producen conexiones más generalizadas más adelante. Pueden surgir nuevos casos de uso a medida que avance la tecnología, como un sistema financiero que se base en una moneda segura desde el punto de vista cuántico. Como los estados cuánticos no pueden copiarse, los hackers no podrían crear dinero falso y el sistema sería extremadamente seguro.
Intentamos determinar cómo podría evolucionar el mercado de QS y QComm, considerando un horizonte temporal de diez años. En el caso de la EQ, nuestro análisis se centró en seis de los casos de uso más prometedores: bioimagen, espectroscopia, navegación, vigilancia del medio ambiente, vigilancia geográfica y aplicaciones científicas fundamentales. Sólo en estas áreas, estimamos que la EQ podría generar al menos 5.000 millones de dólares de ingresos en 2030.2 Esta cifra, aunque conservadora, sigue siendo relativamente baja en comparación con los ingresos que se esperan del mercado de la EQ, mucho más amplio. Aunque la adopción por parte de los clientes puede ser lenta, la EQ podría acabar sustituyendo a las tecnologías clásicas debido a su mayor precisión y menor tamaño.

Los ingresos dependerán, en parte, de la madurez de la tecnología. Aunque muchos sensores cuánticos están en fase de prototipo o de prueba de concepto, algunos utilizados para la vigilancia del medio ambiente y de las infraestructuras están disponibles comercialmente para diversos fines, como la detección de fugas en tuberías subterráneas y la vigilancia de volcanes. Las aplicaciones de la EQ para las ciencias fundamentales, la bioimagen y la navegación están relativamente avanzadas, y esperamos que se comercialicen y se adopten ampliamente en la próxima década.

Las perspectivas también son brillantes para el QComm, en parte porque se espera que los ordenadores cuánticos rompan los protocolos de encriptación clásicos durante ese tiempo. Si los investigadores resuelven los problemas técnicos que limitan su uso generalizado, se calcula que los ingresos de QComm podrían ascender a 8.000 millones de dólares en 2030. A la larga, el auge de los ordenadores cuánticos desencadenará otra nueva reserva de valor para QComm, ya que esta tecnología es esencial para la computación cuántica paralela y ciega.

El maratón de las tecnologías cuánticas
La competencia se producirá a nivel microvertical en la EQ.
La adopción por parte de los clientes se producirá a distintos ritmos.
Todas las tecnologías pueden existir de forma independiente, pero pueden surgir sinergias a medida que avance la computación cuántica.
Todavía hay oportunidades para adelantarse a la curva.
La competencia se producirá a nivel microvertical en la detección cuántica
En el caso de la detección cuántica, ninguna tecnología surgirá como dominante, ya que la mejor solución depende en gran medida del caso de uso. Aunque los átomos neutros y los circuitos superconductores son ahora los más maduros, la fotónica y los qubits de espín no están muy lejos, y las dos tecnologías restantes podrían alcanzarlos rápidamente. Es probable que algunas de las seis tecnologías coexistan, aunque algunas serán mucho más dominantes en ciertas aplicaciones que otras.

La adopción por parte de los clientes se producirá a ritmos diferentes, lo que refleja la diversidad de las tecnologías cuánticas subyacentes
La adopción de las tecnologías cuánticas variará debido a los niveles de madurez y al interés de los consumidores. En algunos casos, una aplicación puede ganar rápidamente tracción en una industria y atraer poco interés en otros sectores porque las prioridades difieren. Las organizaciones militares, por ejemplo, pueden adoptar primero las aplicaciones de navegación que pueden ayudar a las tropas a cumplir misiones críticas. Luego pueden seguir otros sectores en los que la navegación de alta precisión es importante, como la agricultura automatizada, el transporte marítimo y la automoción. Independientemente del sector, la adopción generalizada de las aplicaciones de EQ no se producirá hasta que las partes interesadas estén convencidas de que las ventajas de rendimiento justifican sus mayores costes. Por ejemplo, los científicos pueden seguir utilizando microscopios electrónicos, en lugar de aplicaciones de espectroscopia QS, en situaciones en las que es aceptable una menor precisión.

Otros factores que podrían afectar a la adopción de las aplicaciones de EQ son las características del producto, como la facilidad de reparación y sustitución. Por ejemplo, las empresas pueden tener sensores en los buques portacontenedores de todo el mundo. Para sustituir o reparar estos sensores, la empresa necesitaría una red mundial de ingenieros, así como piezas fácilmente disponibles en todos los lugares pertinentes.

Con QComm, la adopción generalizada de la informática segura -la única aplicación disponible en la actualidad- dependerá también de si los clientes creen que la mayor protección justifica el precio. Aquí entra en juego un aspecto psicológico, ya que algunos clientes pueden percibir la tecnología cuántica como la única alternativa segura, aunque haya otras soluciones disponibles. Por ejemplo, si un banco anuncia que utiliza QKD para proteger las cuentas, algunos clientes podrían estar interesados en sus servicios, aunque sus bancos actuales tengan medidas de seguridad extremadamente altas. Y si el QKD parece atraer a muchos clientes, otros bancos podrían adoptar esta tecnología. Por el contrario, si queda claro que a la mayoría de los clientes no les interesa tener protección QKD, la adopción podría ser limitada.

La normativa también podría provocar variaciones entre sectores en la adopción de la tecnología cuántica. Por ejemplo, las aplicaciones médicas podrían tener que superar importantes obstáculos normativos, lo que haría que los organismos sanitarios retrasaran su implantación. Las aplicaciones de navegación, aunque también están muy reguladas, se enfrentarían a un listón normativo más bajo que podría contribuir a una adopción más rápida en el sector del automóvil.

Todas las tecnologías pueden existir de forma independiente, pero pueden surgir sinergias a medida que avanza la computación cuántica
A medida que la computación cuántica madure, no suplantará a la EQ y a la QComm. Al contrario, creará sinergias con ellas. Más organizaciones investigarán la QComm debido a su capacidad para mejorar la EQ, lo que podría aumentar la demanda. Otra sinergia -aunque muy especulativa- podría consistir en el envío de información desde un sensor cuántico directamente a los ordenadores cuánticos. Si este proceso resulta factible, podría eliminar importantes cuellos de botella en los casos de uso del control de calidad que implican inteligencia artificial cuántica.

Todavía hay oportunidades para adelantarse a la curva
La inversión de capital riesgo en tecnologías cuánticas está aumentando. Muchas organizaciones -entre las que se encuentran gobiernos y empresas del sector privado- también están empezando a investigar casos de uso de la EQ y la QComm, aunque las inversiones son todavía mucho menores.

Para los actores de la tecnología cuántica, el éxito a largo plazo dependerá de las estrategias que desarrollen ahora. El primer paso consiste en examinar cuidadosamente sus prototipos actuales y determinar cuáles permitirán casos de uso en la vida real que atraigan a un amplio espectro de clientes potenciales. Sin esta diligencia, el rendimiento de la inversión podría ser limitado, incluso si la tecnología subyacente abre nuevos caminos. Las empresas también deben dedicar cierta atención a las cuestiones prácticas, como el proceso necesario para pasar del primer prototipo a la producción a escala, o las asociaciones que podrían acelerar la innovación o mejorar sus productos actuales. En algunos casos, empresas de diferentes sectores pueden dirigirse a un agente de la tecnología cuántica para plantearle un problema potencial que quieren resolver, y estas asociaciones podrían ser mutuamente beneficiosas.

Para los actores de la tecnología cuántica, el éxito a largo plazo pasa por considerar cuidadosamente sus prototipos actuales y determinar cuáles permitirán casos de uso en la vida real.

Los líderes de todos los sectores y los ejecutivos de las grandes empresas tecnológicas podrían considerar la posibilidad de asociarse con empresas cuánticas de nueva creación y con pequeñas y medianas empresas para identificar casos de uso en la vida real y abordarlos con las soluciones de tecnología cuántica actualmente disponibles. Estas asociaciones podrían estimular el desarrollo esencial de soluciones integrales que beneficiarían a ambas partes. Por ejemplo, la detección cuántica es aplicable a muchos sectores, como el químico, el farmacéutico y el de la energía sostenible, y tiene numerosos casos de uso potenciales. Las empresas de todos los sectores pueden beneficiarse del talento que adquieren al trabajar con pequeñas y medianas empresas cuánticas. Las empresas pueden incluso querer desarrollar su propio talento cuántico interno. Además, los grandes actores de la industria pueden actuar como inversores.

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