12.04.2018

Tecnología cuántica para una ciudad inteligente  

Julieta Espinosa

El concepto de ciudad inteligente atañe a muy variados aspectos de la vida en las urbes. Movilidad, sustentabilidad, ahorro energético, aprovechamiento de energías renovables, seguridad, entre otros son asuntos prioritarios en una ciudad inteligente; todos ellos con una plataforma común: comunicaciones. Así, una red de comunicaciones de cobertura amplia, rápida, robusta, eficiente y segura y con capacidad de manejo de grandes volúmenes de información es una de las plataformas tecnológicas más importantes en una ciudad inteligente.

 

La Unidad Querétaro del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN) se ha propuesto el desarrollo del Laboratorio de Tecnologías Cuánticas para las Comunicaciones (LaTeC2), cuyos ejes principales de investigación y desarrollo: relojes atómicos, peines de frecuencia, gravímetros cuánticos y criptografía cuántica. Actualmente, el Cinvestav cuenta con personal académico con experiencia y reconocimiento internacional en estas áreas de investigación y desarrollo tecnológico, de tal manera, que el LaTeC2 será el brazo científico y tecnológico del proyecto SMARTQRO en el ámbito de las comunicaciones.

 

Movilidad vehicular inteligente

 

Es de esperar que una ciudad inteligente cuente con vialidades bien diseñadas para el óptimo desplazamiento de vehículos de todo tipo, así como para el tránsito peatonal; además y dado el dinamismo de las grandes urbes, el control del flujo vehicular debe responder en tiempo real a las condiciones vehiculares del momento. De esta manera, es deseable que en una ciudad inteligente los tiempos de los semáforos optimicen los desplazamientos vehiculares, a efecto de reducir los tiempos de traslado mejorando la productividad y propiciando el ahorro de combustible, con la subsecuente reducción en la emisión de gases contaminantes.

 

Para un sitio determinado en una ciudad inteligente, los tiempos de coordinación en los semáforos que maximizan la eficiencia en el desplazamiento del parque vehicular, dependen de la hora del día, del día de la semana, de la temporada del año e, inclusive, de la realización de eventos masivos o de la ocurrencia de accidentes o de otros factores que afectan la movilidad vehicular. Para un sistema sumamente complejo como el descrito, el monitoreo en tiempo real de la posición y desplazamiento de los vehículos puede generar una base de datos sumamente útil. La aplicación de modelos de movilidad que permitan simular el comportamiento del flujo vehicular en multiplicidad de condiciones son herramientas valiosas para optimizar el control de los semáforos.

 

Ahora bien, la información generada en el monitoreo de la posición y desplazamiento de cada vehículo debe ser centralizada en un Centro de Control de Movilidad (CCM), encargado del análisis -a través de modelos matemáticos- de las condiciones del flujo vehicular. En el CCM se determinan, entre otras cosas, los valores de los parámetros en el control de los tiempos de los semáforos, que maximizan la movilidad del parque vehicular. El lazo de control puede ser completado si cada semáforo de la ciudad responde directamente al comando del CCM en tiempo real.

 

Un control inteligente de la movilidad en una ciudad inteligente debe ser suficientemente versátil para dar prioridad, en un momento determinado, al desplazamiento de vehículos de emergencia, sean ambulancias, bomberos, patrullas, etc. El CCM es una instalación estratégica, por lo cual debe contar con todos los elementos de seguridad física e informática que garanticen su correcta operación. El desarrollo de herramientas de frontera para la protección de datos son altamente deseables para mantener la seguridad informática en este tipo de instalaciones.

Ilustración: Jorge Alcántara 2018

Red inteligente de energía eléctrica

 

Hay un creciente interés, bien fundamentado, en aprovechar al máximo las fuentes de energía limpias para minimizar el impacto negativo de la actividad humana al medioambiente. Entre las fuentes de energía renovables más importantes destaca, sin duda, la radiación solar. En este sentido, cabe recordar que el desarrollo de nuevos materiales para la fabricación de fotoceldas de alta eficiencia y bajo costo se encuentra entre los temas de investigación más dinámicos a nivel internacional.

 

Para el mejor aprovechamiento de la energía fotovoltaica, se busca almacenar la energía generada en condiciones de mayor insolación para ser liberada en momentos de poca o nula radiación; sin embargo, uno de los grandes desafíos tecnológicos estriba en el desarrollo de dispositivos eficientes y poco contaminantes para el almacenamiento de energía. Una alternativa que da la vuelta a esta problemática consiste en suministrar la energía fotovoltaica, generada en condiciones de alta insolación o por otras fuentes alternativas de energía, a la red pública. Cabe señalar que dicho proceso de aporte de energía eléctrica debe hacerse de manera ordenada y coordinada, ya que las redes de energía eléctrica son sistemas complejos en los que el balance entre el aporte y el gasto de energía debe ser mantenido cuidadosamente, a efecto de mantener la estabilidad de la red.

 

Con el propósito de controlar el aporte de energía a la red pública, es preciso mantener un monitoreo constante y en tiempo real del estado eléctrico que guarda la red, para lo cual se requiere de la instalación de sensores distribuidos en la red eléctrica, que midan continuamente la tensión y la corriente eléctrica para conocer el comportamiento de la red en todo punto y en todo momento.

 

Paralelamente a la red de distribución de energía, se requiere de una red de comunicaciones distribuida a lo largo y ancho de la región de cobertura; lo anterior, a efecto de que la información generada en los sensores se transmita a un Centro de Control Eléctrico (CCE) para su análisis y empleo en modelos del comportamiento de redes eléctricas. Con el apoyo de dichos modelos, en el CCE se toman las decisiones para operar y mantener el óptimo desempeño de la red eléctrica.

 

El conocimiento pormenorizado del estado que guarda la red y su control automático permiten la incorporación, de manera ordenada y controlada, de contribuciones energéticas provenientes de fuentes de energía renovable. A este tipo de redes eléctricas se les conoce como Redes Inteligentes de Energía Eléctrica (RIEE). Al igual que el CCM, las instalaciones del CCE son también estratégicas para una ciudad inteligente y deben contar con todos los elementos de seguridad física e informática que el caso amerita.

 

Ciudad hiperconectada

 

La movilidad vehicular y la utilización de fuentes alternas de energía requieren de una red de comunicación de amplia cobertura con atributos, que pueden resumirse en: rapidez, eficiencia, seguridad y capacidad de manejo de grandes volúmenes de información. Algoritmos de inteligencia artificial o aprendizaje de máquina deben ser incorporados, de manera intensiva, en los procesos que están detrás de la gestión de una ciudad inteligente.

 

Una ciudad sensorizada e hiperconectada es la plataforma ideal para la operación del Internet de las cosas (IoT). Con el IoT se toman un gran número de decisiones sin intervención humana y en tiempo real para mejorar la competitividad y para reducir la traza de carbono que imprimen los procesos; por ello es que una ciudad inteligente debe contar con un Centro de Control y Monitoreo de la Red de Telecomunicaciones (CCMRT).

 

Criptografía cuántica, seguridad máxima

 

El avance dramático de las tecnologías de información y comunicación (TIC) nos pone ante panoramas de conectividad que eran, hasta hace poco, insospechados y que nos hacen concebir a una ciudad inteligente como una ciudad hiperconectada, sensorizada, automatizada y colaborativa. Ante tal escenario, es de esperar la aparición de grupos de origen oscuro que pretendan dirigir ataques informáticos, por lo que la integridad y confidencialidad de los datos que transitan por las redes de comunicación de una ciudad deben ser la mayor de las prioridades.

 

La pérdida o alteración de algunos de los datos puede comprometer seriamente la seguridad y el funcionamiento de una ciudad inteligente. La protección de la integridad de la información, por ello, debe ser atendida con los mejores avances de la ciencia y la tecnología. En este punto, la criptografía convencional, hasta ahora utilizada masivamente, ha dado muestras de vulnerabilidades ante sofisticados ataques informáticos perpetrados por organizaciones altamente tecnificadas, por lo que la criptografía cuántica aparece como la mejor solución para proteger la integridad de los datos que genera y procesa una ciudad.

 

La ciudad inteligente debe tener la capacidad de resistir a los ataques informáticos más sofisticados y agresivos de los que se tiene registro y, precisamente, la criptografía cuántica puede dar seguridad en ello, incluso, tiene la potencialidad de resguardar la integridad de la información en aquellos escenarios en los que se empleara tecnología aún no disponible -memorias cuánticas, por ejemplo-.

 

Relojes atómicos, consistencia y sincronía

 

Las redes de comunicación incorporan diferentes tipos de relojes para el control de los procesos de digitalización, transporte, recepción y recomposición de la información, ya sea de datos, de audio o de video. A mayor nivel de sincronía en la red, mayor capacidad de manejo de información. Típicamente, los niveles jerárquicos de mayor sincronía en una red de comunicaciones se mantienen con la incorporación de relojes atómicos, mismos que se encargan de mantener la sincronía de la red.

 

La autoconsistencia en la sincronía de la red es importante pero también lo es la consistencia entre redes. Esto último se logra utilizando referencias internacionales de tiempo y el sistema GPS es el eslabón intermediario para lograrlo. Los esquemas de sincronía típicamente utilizados en las redes de comunicación convencionales tienen fuertes inconvenientes para se utilizados en la red de comunicación de una ciudad inteligente debido a factores diversos.

 

Las señales del sistema GPS -o el Sistema Galileo o el Sistema GLONASS- son fácilmente interferidas con equipos comerciales, que pueden ser adquiridos por cualquier persona. Lo anterior abre ventanas de vulnerabilidad muy peligrosas para la operación de las redes de comunicación de una ciudad inteligente, así como para los sistemas de monitoreo de posición y desplazamiento del parque vehicular.

 

Dado que tanto la red de comunicaciones como el sistema de monitoreo del comportamiento vehicular son plataformas tecnológicas transversales para una ciudad inteligente, es altamente recomendable que la ésta cuente con una infraestructura que mantenga la referencia de tiempo de alta exactitud de la ciudad. Dicha referencia no solamente es de primerísima importancia para garantizar la sincronía en la red de comunicaciones, sino también para garantizar el buen funcionamiento del sistema de monitoreo del flujo vehicular.

Ilustración: Jorge Alcántara 2018

Óptica cuántica para ciudades inteligentes

 

La capacidad de transporte de información aumenta en la medida que la frecuencia de digitalización de la información crece. En el transporte de datos por fibra óptica, el proceso de acortamiento de los tiempos de la duración de pulsos y de la frecuencia de los mismos tiene un límite impuesto por las características de la fibra óptica instalada en la red.

 

Una forma de dar la vuelta a esta limitación es acortar la duración de pulsos e incrementar la frecuencia hasta valores bien soportados por la fibra óptica, pero aumentando el número de canales ópticos en cada fibra. Esto es, cada «color» que viaja por cada hilo de la fibra es utilizado como un canal de comunicación; en la medida en que aumenta el número de «colores» que son inyectados en la fibra, aumenta también la capacidad de transporte de información por la red.

 

Lo anterior implica la subdivisión en segmentos cada vez más finos de la ventana de comunicaciones de la fibra óptica (comúnmente alrededor de los 1500 nm). La limitación estriba en la capacidad para incrementar el número de frecuencias ópticas dentro en la ventana de comunicaciones sin que estas frecuencias se traslapen unas con otras. Para lo anterior, es deseable desarrollar las tecnologías cuánticas que permitan la generación de frecuencias ópticas de muy alta estabilidad, de espectro muy angosto y de frecuencia muy bien conocida.

 

Los peines de frecuencia son de generación y medición de frecuencias ópticas ultra estables y ultra angostas. Las instalaciones del Centro de Control y Monitoreo de la Red de Telecomunicaciones (CCMRT) deben contar con los sistemas de generación y medición de las frecuencias ópticas para monitorear y controlar las frecuencias que circulan por la red de comunicaciones y garantizar, así, la capacidad para el transporte de grandes volúmenes de información, característica de una ciudad inteligente hiperconectada y colaborativa.

 

Ricardo Miledi y las Neurociencias en México

L.P.C. Julieta Espinosa

Contacto:

TELÉFONO:

+52 442/2628967

CORREO ELECTRÓNICO: 

contacto@revistaserendipia.com

revista.serendipia@gmail.com

Síguenos en:

Versión para imprimir Versión para imprimir | Mapa del sitio
© Julieta Isabel Espinosa Rentería