Dando forma a la larga carrera en tecnologías cuánticas

Computación cuántica (QC), una de las tecnologías más revolucionarias de nuestro tiempo, está a aproximadamente una década de su aplicación comercial generalizada, según nuestro análisis reciente. 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. El control de calidad reduce exponencialmente el tiempo de procesamiento y, en muchos casos, permite resolver problemas que antes eran intratables. QS permitirá realizar mediciones más precisas y podría ofrecer una mayor accesibilidad que los sensores existentes (por ejemplo, mediante la miniaturización del dispositivo). QComm permitirá protocolos de cifrado sólidos que podrían aumentar en gran medida la seguridad de la información confidencial y también habilitará algunas funciones críticas de la computación cuántica (para obtener más información sobre los fenómenos cuánticos subyacentes a QC, QS y QComm, consulte la barra lateral, "El salto tecnológico"). ).

Con tecnologías cuánticas, La información está codificada en bits cuánticos (qubits). Mientras que los bits utilizados en la informática clásica son binarios, con un valor de 0 o 1, los qubits pueden asumir valores de 0, 1 o una combinación de ambos. Los qubits obtienen su capacidad única de asumir múltiples valores porque dependen del fenómeno cuántico conocido como superposición: la combinación de dos fenómenos físicos distintos del mismo tipo (como el espín o la longitud de onda) para que coexistan como parte del mismo evento. La superposición permite nuevos algoritmos informáticos que pueden comprimir enormemente el tiempo de cálculo. Para dar una idea de la mejora: en 2020, un grupo de investigación chino utilizó la computación cuántica para encontrar una solución que a una supercomputadora clásica le habría llevado 2.500 millones de años generar.

Dado que los sistemas cuánticos son muy sensibles a los cambios en el medio ambiente, los sensores cuánticos podrían detectar cambios menores en el medio ambiente que están fuera del alcance de los sensores ordinarios. Con la comunicación cuántica, los qubits se comunican entre ubicaciones distantes, lo que permite la computación cuántica paralela. También permiten una comunicación segura a través de un fenómeno cuántico llamado entrelazamiento, un proceso en el que la medición de un qubit afecta instantáneamente a otro, incluso si están ubicados muy separados. El entrelazamiento garantiza que la información no pueda ser interceptada cuando pasa de un qubit a otro. Si bien el entrelazamiento también se puede utilizar en la detección cuántica, es menos fundamental para la tecnología y algunos sensores cuánticos no se basan en este principio.

Con sus capacidades únicas, QC, QS y QComm podrían transformar múltiples mercados, incluidos la informática de alto rendimiento, la navegación, los productos farmacéuticos y las imágenes médicas. Muchos gigantes tecnológicos y nuevas empresas ya han invertido significativamente en tecnologías cuánticas, con acuerdos confirmados y anunciados solo para 2021 por un total de alrededor de 2.100 millones de dólares. La mayor parte de la financiación fluye hacia iniciativas de control de calidad, pero un acuerdo reciente de cientos de millones para QComm, que involucra a una empresa de adquisición con fines especiales, muestra que las otras tecnologías cuánticas están comenzando a atraer un interés significativo. Esperamos que QComm y QS atraigan una financiación aún mayor en el futuro, aunque es poco probable que alcancen los mismos niveles que QC porque los mercados para estas tecnologías son más pequeños.

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

Si bien invertir en tecnologías cuánticas conlleva un elemento de riesgo, los beneficios potenciales son altos. Para 2030, QS y QComm por sí solos podrían generar 13 mil millones de dólares en ingresos, y esa cantidad podría crecer sustancialmente en años posteriores. Para brindar más claridad a los inversores a medida que trazan el camino a seguir, exploramos el panorama del mercado para QS y QComm, analizando tanto las oportunidades como los desafíos. También identificamos preguntas críticas sobre tecnología, riesgo y demanda del mercado que los inversores pueden considerar al asignar fondos.

QC, QS y QComm se pueden utilizar de forma independiente o en combinación (Anexo 1). Cuando el control de calidad esté disponible comercialmente, puede impulsar la demanda del mercado de QComm y potencialmente de QS. Por ejemplo, QComm se puede utilizar para conectar computadoras cuánticas y generar aún más potencia informática mediante el procesamiento paralelo.

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

Los sensores cuánticos pueden medir diferentes propiedades físicas, incluida la temperatura, el campo magnético y la rotación, con extrema sensibilidad. Su precisión resulta de la sensibilidad de los estados cuánticos a cambios menores en el medio ambiente. 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 de tamaño, también podrán medir datos que no pueden ser capturados por los sensores actuales, que son demasiado grandes para caber en la ubicación deseada o carecen de la funcionalidad requerida.

Hay dos generaciones de sensores cuánticos. El primero, que incluye dispositivos como relojes atómicos de microondas y dispositivos de interferencia cuántica superconductora (SQUID), ha estado disponible durante décadas. La segunda generación, que incluye sensores de gravedad, sensores de nitrógeno vacante (NV) y otras innovaciones, apenas está surgiendo. Las aplicaciones QS de segunda generación se dividen en al menos ocho aplicaciones y difieren en cuanto a niveles de madurez y potencial de mercado (Anexo 2). Las aplicaciones QS más competitivas incluirán aquellas para las que no existe ninguna alternativa tecnológica. También es más probable que las aplicaciones QS ganen terreno si proporcionan una mayor sensibilidad que los sensores actuales a un precio comparable o inferior al de las tecnologías alternativas.

Cada aplicación QS 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 transmiten. En espectroscopía, por ejemplo, los sensores cuánticos podrían proporcionar imágenes más precisas de estructuras moleculares, como las proteínas, en comparación con los microscopios electrónicos disponibles actualmente. Las aplicaciones QS también pueden capturar imágenes a nivel atómico, donde es menos probable que los artefactos oscurezcan la imagen. QS también podría ayudar a aumentar la sostenibilidad, ya que permite monitorear las emisiones de CO2 a través de mediciones localizadas y de mayor precisión.1 Actualmente, las emisiones de CO2 se pueden monitorear con una precisión de solo uno a tres kilómetros. Además, el consumo de energía se puede rastrear y optimizar cuando QS se integra en edificios inteligentes.

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

El objetivo final de QComm es establecer una Internet cuántica. La mayoría de las áreas dependerán de redes de fibra óptica, que son confiables pero costosas, aunque los proveedores pueden aprovechar las redes de fibra existentes. La transmisión de información cuántica a distancias cortas (menos de 500 metros) ya es posible a través de redes de fibra óptica. La transmisión a distancias más largas no será factible hasta que los investigadores creen repetidores cuánticos completamente funcionales, que son dispositivos que amplifican las señales y reducen la cantidad de información perdida durante la transmisión. Esperamos que estos repetidores cuánticos estén disponibles durante la próxima década.

Para algunas comunicaciones de larga distancia, como transmisiones a través del océano, QComm puede depender de satélites para facilitar la transmisión. Sin embargo, los satélites no son adecuados para todos los lugares, como por ejemplo aquellos con condiciones climáticas extremas. La creación de redes de satélites y la infraestructura terrestre relacionada necesaria para QComm también presenta muchos desafíos que los investigadores todavía están tratando de resolver.

Dividimos los mercados QS y QComm en segmentos a lo largo de la cadena de valor para evaluar su madurez actual y sus potenciales oportunidades de crecimiento. Ambos mercados tienen tres segmentos en común:

Más allá de los componentes, el hardware y el software, la cadena de valor de QComm también incluye dos segmentos adicionales: operaciones de redes cuánticas y 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 en gran medida limitada hasta que madure el hardware de QComm. Dentro de los servicios cuánticos, varias empresas ofrecen actualmente asesoramiento sobre los aspectos tecnológicos y comerciales de QComm.

Algunas organizaciones ya han comenzado a utilizar la criptografía cuántica y podrían seguir más, especialmente en industrias donde la comunicación segura es primordial.

En general, los plazos de desarrollo y comercialización de los productos QS 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 amplia también depende de la optimización del dispositivo, especialmente en cuanto a tamaño y peso. Reducir los costos también es fundamental, ya que es posible que los compradores potenciales no quieran pagar un precio más alto por las tecnologías cuánticas, a pesar de su mayor precisión, si hay soluciones alternativas disponibles.

Si bien quedan muchos obstáculos por delante, las soluciones cuánticas podrían generar ingresos sustanciales durante la próxima década. Incluso podrían ofrecer valor antes de que se produzca la optimización del dispositivo porque los investigadores pueden descubrir muchos usos provisionales para las soluciones disponibles actualmente. QComm podría proporcionar una conexión a Internet segura entre determinadas ciudades, por ejemplo, mientras que más adelante se producirán conexiones más generalizadas. Es posible que surjan nuevos casos de uso a medida que avance la tecnología, como un sistema financiero que dependa de moneda cuánticamente segura. Como los estados cuánticos no se pueden copiar, los piratas informáticos no podrían crear dinero falso y el sistema sería extremadamente seguro.

Intentamos determinar cómo podría evolucionar el mercado para QS y QComm, considerando un horizonte temporal de diez años. Para QS, nuestro análisis se centró en seis de los casos de uso más prometedores: bioimagen, espectroscopia, navegación, monitoreo ambiental, estudios geográficos y aplicaciones científicas fundamentales. Solo en estas áreas, estimamos que QS podría generar al menos $5 mil millones de dólares en ingresos para 2030.2 Para los seis casos de uso que examinamos, asumimos que aquellos con mayor potencial generarían al menos $1 mil millones de dólares en ingresos anualmente, mientras que aquellos con menos Su potencial generaría unos 500 millones de dólares. Esta cifra, aunque conservadora, sigue siendo relativamente baja en comparación con los ingresos esperados del mercado de control de calidad, mucho más grande. Aunque la adopción por parte de los clientes puede ser lenta, QS podría eventualmente reemplazar a las tecnologías clásicas debido a su mayor precisión y su menor tamaño.

Los ingresos dependerán, en parte, de la madurez de la tecnología. Si bien muchos sensores cuánticos se encuentran en la etapa de prototipo o prueba de concepto, algunos utilizados para el monitoreo ambiental y de infraestructura están disponibles comercialmente para diversos fines, incluida la detección de fugas en tuberías subterráneas y el monitoreo de volcanes. Las aplicaciones de QS para aplicaciones de ciencia fundamental, bioimagen y navegación están relativamente avanzadas y esperamos que se comercialicen y adopten ampliamente durante la próxima década.

Las perspectivas también son brillantes para QComm, en parte porque se espera que las computadoras cuánticas rompan los protocolos de cifrado clásicos durante ese tiempo. Si los investigadores abordan los problemas técnicos que limitan su uso generalizado, QComm podría representar unos ingresos estimados en 8.000 millones de dólares para 2030. Con el tiempo, el auge de las computadoras cuánticas desencadenará otro nuevo conjunto de valor para QComm porque esta tecnología es esencial para la computación cuántica paralela y ciega. informática.

Aunque persiste la incertidumbre sobre los futuros mercados de QS y QComm, cuatro creencias fundamentales son ciertas (Anexo 4):

Para QS, ninguna tecnología emergerá como dominante, ya que la mejor solución depende en gran medida del caso de uso. Si bien los átomos neutros y los circuitos superconductores son ahora los más maduros, la fotónica y los qubits de espín no se quedan atrás, y las dos tecnologías restantes podrían alcanzarlos rápidamente. Es probable que algunas de las seis tecnologías coexistan, aunque algunas serán mucho más dominantes en determinadas aplicaciones que otras.

La adopción de tecnologías cuánticas variará debido a los niveles de madurez y el interés de los consumidores. En algunos casos, una aplicación puede ganar terreno rápidamente en una industria y atraer poco interés en otros sectores porque las prioridades difieren. Las organizaciones militares, por ejemplo, pueden adoptar primero aplicaciones de navegación que puedan ayudar a las tropas a cumplir misiones críticas. Luego podrían seguir otros sectores en los que la navegación de alta precisión es importante, como la agricultura automatizada, el transporte marítimo y la automoción. Independientemente de la industria, no se producirá una adopción amplia de las aplicaciones QS hasta que las partes interesadas estén convencidas de que los beneficios de rendimiento justifican sus mayores costos. Por ejemplo, los científicos pueden seguir utilizando microscopios electrónicos, en lugar de aplicaciones de espectroscopia QS, en situaciones en las que sea aceptable una menor precisión.

Otros factores que podrían afectar la adopción de aplicaciones QS incluyen las características del producto, como la facilidad de reparación y reemplazo. Por ejemplo, las empresas podrían tener sensores en buques portacontenedores en todo el mundo. Para reemplazar o reparar estos sensores, la empresa necesitaría una red global de ingenieros, así como piezas fácilmente disponibles en todos los lugares relevantes.

Con QComm, la adopción amplia de la informática segura (la única aplicación disponible ahora) también dependerá de si los clientes creen que la mayor protección justifica el precio. Aquí está en juego un aspecto psicológico, ya que algunos clientes pueden percibir la tecnología cuántica como la única alternativa segura, incluso si hay otras soluciones disponibles. Por ejemplo, si un banco anuncia que utiliza QKD para proteger sus cuentas, algunos clientes podrían estar interesados ​​en sus servicios, aunque sus bancos actuales tengan medidas de seguridad extremadamente altas. Y si QKD parece atraer a muchos clientes, es posible que más bancos adopten esta tecnología. Por el contrario, si queda claro que a la mayoría de los clientes no les preocupa tener protección QKD, la aceptación puede ser limitada.

Las regulaciones también podrían causar variaciones interindustriales en la adopción de la tecnología cuántica. Por ejemplo, es posible que las aplicaciones médicas deban superar importantes obstáculos regulatorios, lo que provocará que las agencias de atención médica retrasen su implementación. Las aplicaciones de navegación, aunque también están altamente reguladas, enfrentarían un listón regulatorio más bajo que podría contribuir a una adopción más rápida en el sector automotriz.

A medida que la computación cuántica madure, no sustituirá a QS y QComm. Más bien, creará sinergias con ellos. Más organizaciones investigarán QComm debido a su capacidad para mejorar el control de calidad, lo que podría aumentar la demanda. Otra sinergia, aunque muy especulativa, podría implicar el envío de información desde un sensor cuántico directamente a computadoras cuánticas. Si este proceso resulta factible, podría eliminar importantes obstáculos para los casos de uso de control de calidad que involucran inteligencia artificial cuántica.

La inversión de capital de riesgo en tecnologías cuánticas está aumentando. Muchas organizaciones (incluidos gobiernos y empresas del sector privado) también están comenzando a investigar casos de uso de QS y QComm, aunque las inversiones aún son mucho menores.

Para los actores de la tecnología cuántica, el éxito a largo plazo dependerá de las estrategias que desarrollen ahora. El primer paso implica considerar cuidadosamente sus prototipos actuales y determinar cuáles permitirán casos de uso de la vida real que atraigan a un amplio espectro de clientes potenciales. Sin esta diligencia, el retorno de su inversión podría ser limitado, incluso si la tecnología subyacente abre nuevos caminos. Las empresas también deberían dedicar cierta atención a 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 existentes. En algunos casos, empresas de diferentes industrias pueden acercarse a un actor de tecnología cuántica sobre un problema potencial que desean resolver, y dichas asociaciones podrían ser mutuamente beneficiosas.

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

Los líderes de todas las industrias y los ejecutivos de grandes empresas de tecnología podrían considerar la posibilidad de formar asociaciones con nuevas empresas cuánticas y pequeñas y medianas empresas para identificar casos de uso de la vida real y abordarlos con soluciones de tecnología cuántica actualmente disponibles. Estas asociaciones podrían estimular el desarrollo esencial de soluciones de extremo a extremo que beneficiarían a ambas partes. Por ejemplo, la detección cuántica es aplicable a muchas industrias, incluidas la química, la farmacéutica y la de energía sostenible, y tiene numerosos casos de uso potenciales. Las empresas de todos los sectores pueden beneficiarse del talento que obtienen al trabajar con pequeñas y medianas empresas cuánticas. Es posible que las empresas incluso quieran desarrollar su propio talento cuántico interno. Además, los grandes actores de la industria pueden actuar como inversores.

Los inversores también deben tomar algunas medidas rápidas y pueden obtener una ventaja al considerar las siguientes preguntas al contemplar las ofertas de tecnología cuántica de una empresa:

La computación cuántica podría conducir a una revolución tecnológica, pero la comercialización aún es una perspectiva lejana. Mientras tanto, tanto los líderes empresariales como los inversores pueden explorar QS y QComm, dos tecnologías relacionadas que tienen el potencial de transformar industrias. Las mejores empresas mantendrán sus inversiones basadas en la realidad centrándose en tecnologías cuánticas que tienen el potencial de traducirse en casos de uso de la vida real con un gran atractivo.

Gaurav Batraes socio de la oficina de McKinsey en Washington, DC;Martina Gschwendtneres consultor en la oficina de Munich;Ivan Ostojices socio de la oficina de Zurich;Andrea Queiroloes socio de la oficina de Nueva York;Henning Sóller es socio de la oficina de Frankfurt; yLinde Westeres analista senior de capacidades y conocimientos en la oficina de Ámsterdam.

Los autores desean agradecer a Matteo Biondi, Marc de Jong, Ravi Gupta, Tinashe Handina, Holger Harreis, Anna Heid, Masashi Hirose, Niko Mohr, Bill E. Newman, Nick Santhanam, Stephanie Wehner, Matija Zesko, Waris Ziarkash y a todos los expertos. Entreviste a los socios por sus contribuciones a este artículo.

Este artículo fue editado por Eileen Hannigan, editora senior de la oficina de Waltham, Massachusetts.