Actualmente vivimos en lo que los expertos denominan segunda revolución cuántica, ya que los desarrollos tecnológicos permiten manipular los átomos a escala individual para crear compuestos complejos. También la computación cuántica se erige en una herramienta con cada vez mayores aplicaciones, muchas de ellas con un impacto directo en la actividad del sector del medio ambiente. Incluidas en el listado de tecnologías críticas de la UE, el Foro Económico Mundial las destaca por su potencial para facilitar el cumplimiento de los ODS. Se trata de tecnologías en constante desarrollo, por lo que el sector ambiental necesita mantenerse al día de sus novedades y tejer redes de cooperación tecnológica para su implantación.
A nivel europeo, la iniciativa Quantum Flagship (QF) es la abanderada en lo referente a la investigación y desarrollo de tecnologías cuánticas, y cuenta con una financiación de aproximadamente 1.000 millones de euros. Dentro de la política europea de soberanía del conocimiento, se trabaja para que en el continente se generen las capacidades para todos los escalones de la cadena de valor de los sistemas asociados a las llamadas tecnologías críticas, entre las que se consideran a la computación cuántica, la IA cuántica, la criptografía o las tecnologías de detección. Sin embargo, es China el líder mundial en investigación cuántica, y los expertos advierten que sus inversiones en proyectos relacionados con la computación cuántica y la criptografía superan los 10.000 millones de dólares.
Materiales cuánticos
Los científicos están llevando a la práctica métodos para manipular directamente la materia, y así poder aprovechar los procesos basados en las características de la mecánica cuántica, como la superposición o el entrelazamiento. Por ejemplo, un estudio desarrollado por el Instituto de Física Química de Dalian, publicado en la revista Nature Materials, ha demostrado que los llamados puntos cuánticos pueden aprovecharse para controlar reacciones químicas a través de fenómenos cuánticos. Los puntos cuánticos son nanopartículas, nanocristales semiconductores con un tamaño tan reducido que sus propiedades físicas están sujetas a las leyes de la mecánica cuántica, y no a las de la física clásica. Se pueden manipular en soluciones, como si fueran moléculas, lo que permite integrarlos en sistemas químicos y biológicos, y que participen en reacciones químicas complejas, facilitando el control sobre los resultados de las mismas. Esto les convierte en catalizadores muy potentes y versátiles, posibilitando la creación de materiales complejos que abran posibilidades a sistemas energéticos mucho más eficientes o sensores químicos más sensibles. Además, los investigadores creen que las aplicaciones de los puntos cuánticos apenas están comenzando. Por ejemplo, podrían mejorar dispositivos como paneles solares y diodos emisores de luz (LEDs), aumentando su eficiencia y reduciendo costes. Otras aplicaciones pueden posibilitar el diseño de medicamentos específicos o la detección de enfermedades en etapas tempranas.
Cada vez hay más ejemplos de la aplicación de las tecnologías cuánticas. El proyecto Atomaqua está desarrollando un gravímetro cuántico que simplifica el seguimiento y el análisis de la alimentación de las aguas subterráneas, determinando con gran precisión su estado. El proyecto X@Line emplea tecnología cuántica para medir directamente los componentes importantes de los materiales durante el reciclado de las baterías, por lo que evitan tener que enviarlos a analizar a laboratorios. Combina dos métodos de análisis por rayos X para medir las proporciones de litio, manganeso, cadmio, cobalto y grafito y, a continuación, reintroducir las materias primas en la producción de nuevas baterías. El proyecto QEED utiliza luz infrarroja para realizar análisis microscópicos de muestras de tejido mediante tecnología de sensores cuánticos, lo que ayuda a detectar enfermedades como el cáncer en una fase más temprana. En España, la empresa GMV desarrolla el proyecto CUCO que integrando técnicas de Machine Learning Cuántico y Optimización Cuántica puede identificar plantas fotovoltaicas en imágenes de satélite o predecir a corto plazo de la velocidad y de la dirección del viento en zonas de interés.
Computación cuántica
Hace ya tiempo que los principios de la física cuántica se aprovechan para procesar la información y realizar diferentes operaciones informáticas. Se diferencia de la computación clásica en que no utiliza impulsos eléctricos para transmitir la información, sino que se vale de partículas subatómicas como los electrones o fotones. Los bits solo admiten dos estados (0 o 1) generando el llamado código binario; pero las partículas subatómicas pueden adoptar al mismo tiempo múltiples combinaciones de 0 y 1, lo que se denomina superposición cuántica y posibilita que las computadoras realicen cálculos de una forma más eficiente, operando con grandes números.
Básicamente, los ordenadores cuánticos superan a la computación binaria en tres áreas que pueden ser determinantes en el futuro: simulación y descubrimiento molecular en ciencia de materiales y biología; optimización y gestión de riesgos en sistemas complejos; e IA y aprendizaje automático. En la práctica, con la computación cuántica se pueden constituir y analizar sistemas complejos para optimizar procesos y abordar problemas críticos, entre ellos el cambio climático, la reducción de emisiones y otros aspectos que entran dentro de la actividad del sector ambiental. Se prevé que la investigación con tecnología cuántica de compuestos químicos complejos (de más de 50 átomos) puede abrir nuevas vías a la creación de superconductores con menores costes u otro tipo de materiales con propiedades superiores, que pueden ayudar a la absorción o el almacenamiento de compuestos como el CO2, el metano u otros.
Tecnologías cuánticas y medio ambiente
La computación cuántica puede resultar clave para alcanzar la neutralidad de emisiones y avanzar hacia un desarrollo sostenible. Así, un informe del Foro Económico Mundial, Quantum for Society: Meeting the Ambition of the SDGs, pondera el potencial de las tecnologías cuánticas para impulsar los ODS. Entre otros aspectos, la computación cuántica puede colaborar en optimizar los procesos energéticos, ya que permite cálculos más rápidos y más complejos que aumentarían la eficiencia energética, el diseño de materiales sostenibles, la simulación de procesos industriales menos contaminantes, haciendo más eficiente las tecnologías de captura de carbono u optimizando la seguridad de las infraestructuras energéticas mediante criptografía cuántica.
También hará posibles simulaciones climáticas más precisas y complejas, que incluyan variables no consideradas en los modelos actuales, y permitiendo entender y anticipar mejor los patrones del clima, anticipar variaciones y desarrollar estrategias de mitigación.
Además, su impacto en la eficiencia logística puede ser muy alto, ya que posibilita mejores soluciones en problemas relacionados con la planificación de las rutas, la gestión de la cadena de suministro, o el ahorro de tiempo o combustible.
El carácter disruptivo de las tecnologías cuánticas puede ser determinante para mejorar la sostenibilidad de los procesos industriales, y su aplicación a la cadena de valor de la industria ambiental supone una oportunidad para acelerar la adopción de los principios circulares y avanzar hacia un desarrollo sostenible.
El Foro Económico Mundial ha creado el Hub de Aplicaciones Cuánticas para impulsar la innovación y la comercialización de la tecnología cuántica, pero a nivel local también existen ejemplo de iniciativas que emplean estas tecnologías avanzadas con una perspectiva ambiental, como el proyecto liderado por investigadores de la Universidad de Cantabria, que desarrolla catalizadores basados en nanopartículas para transformar el CO2 en otros productos químicos que puedan ser reutilizados. Otras investigaciones emplean la computación cuántica para simular las propiedades de las moléculas candidatas, y así poder fabricar catalizadores que disminuyan las emisiones de CO2.
Aclima con la divulgación de las tecnologías cuánticas en el sector ambiental
Este año, en el marco de la cuarta edición de Basque GreenTech, el Foro de Innovación y Transferencia Tecnológica Ambiental organizado por Aclima , Ricardo Díez Muiño, Director del Donostia International Physics Center (DIPC), ofrecerá la ponencia “Ciencia con impacto: el presente y futuro de las tecnologías cuánticas” en la que expondrá las posibilidades de este tipo de tecnologías en el sector ambiental, inscríbete a continuación.