Los titanes de la física cuántica ganan el premio Breakthrough

A medida que se invierten miles de millones de dólares en la computación cuántica y los países construyen redes de comunicación protegidas por encriptación cuántica, la importancia de la ciencia de la información cuántica se vuelve cada vez más difícil de ignorar.

El premio Breakthrough Prize in Fundamental Physics de este año honra a cuatro pioneros que combinaron las matemáticas, la informática y la física para realizar un “trabajo fundamental en el campo de la información cuántica”. El premio lo comparten Charles Bennett de IBM, Gilles Brassard de la Universidad de Montreal, David Deutsch de la Universidad de Oxford y Peter Shor del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

“Estas cuatro personas realmente contribuyeron en gran medida al surgimiento de la teoría de la información cuántica”, dice Nicolas Gisin, físico cuántico experimental de la Universidad de Ginebra. “Es bueno ver que estos premios se acercan más a mi corazón”.

Los Premios Breakthrough fueron cofundados por el multimillonario y físico israelí-ruso Yuri Milner en 2012, y han recibido el generoso apoyo de otros magnates, incluidos los cofundadores Mark Zuckerberg y Sergey Brin. Al igual que Alfred Nobel, cuya fortuna de financiación del Premio Nobel surgió de su invención de la dinamita, los vínculos financieros pasados ​​de Milner con el Kremlin han sido objeto de escrutinio, especialmente a la luz de la actual invasión de Ucrania por parte de Rusia. En entrevistas anteriores, Milner ha enfatizado su independencia y las donaciones a los refugiados ucranianos. Un vocero señaló a Científico americano que Milner se mudó a los EE. UU. en 2014 y no ha regresado a Rusia desde entonces.

Pero el reconocimiento de la ciencia de la información cuántica no siempre ha sido fácil, o con tal apoyo financiero. En términos generales, el campo es una combinación de dos teorías: la mecánica cuántica, que describe el comportamiento contrario a la intuición del mundo atómico y subatómico, y la teoría de la información, que detalla los límites matemáticos y físicos de la computación y la comunicación. Su historia es una historia más desordenada, con avances esporádicos que a menudo fueron pasados ​​por alto por las revistas científicas convencionales.

En 1968, Stephen Wiesner, entonces estudiante de posgrado en la Universidad de Columbia, desarrolló una nueva forma de codificar información con fotones polarizados. Entre otras cosas, Wiesner propuso que la naturaleza inherentemente frágil de los estados cuánticos podría usarse para crear dinero cuántico resistente a la falsificación. Incapaz de publicar muchas de sus ideas teóricas embriagadoras y atraído por la religión, Wiesner, quien murió el año pasado, abandonó en gran medida la academia para convertirse en un trabajador de la construcción en Israel.

Antes de que Wiesner dejara Columbia, transmitió algunas de sus ideas a otro joven investigador. “El novio de uno de mis compañeros de habitación era Stephen Wiesner, quien empezó a hablarme de su ‘dinero cuántico’”, recuerda Bennett. “[It] me pareció interesante, pero no parecía el comienzo de un campo completamente nuevo”. A fines de la década de 1970, Bennett conoció a Brassard y los dos comenzaron a hablar sobre el dinero de Wiesner, que imaginaron podría requerir la tarea improbable de atrapar fotones con espejos para crear un billete cuántico.

“Los fotones no están destinados a quedarse, están destinados a viajar”, ​​dice Brassard, explicando el proceso de pensamiento. “Si viajan, ¿qué es más natural que comunicarse?” El protocolo propuesto por Bennett y Brassard, llamado BB84, lanzaría el campo de la criptografía cuántica. Más tarde detallado y popularizado en Científico americano, BB84 permitió que dos partes intercambiaran mensajes con el mayor secreto. Si un tercero espiaba, dejaría evidencia indeleble de su interferencia, como dañar un sello de cera cuántica.

Mientras Bennett y Brassard desarrollaban la criptografía cuántica, empezaba a surgir otra idea radical: la computación cuántica. En una reunión ahora famosa en MIT Endicott House en Dedham, Massachusetts, en mayo de 1981, el físico Richard Feynman propuso que una computadora usando principios cuánticos podría resolver problemas imposibles para una computadora sujeta a las leyes de la física clásica. Aunque no asistió a la conferencia, Deutsch se enteró de la idea y quedó enganchado. “Gradualmente me convencí más y más de los vínculos entre la computación y la física”, dice.

Hablando con Bennett más tarde ese año, Deutsch experimentó una epifanía crucial: entonces la teoría computacional predominante se basaba en la física incorrecta: la mecánica “clásica” de Isaac Newton y el enfoque relativista de Albert Einstein en lugar de la realidad cuántica más profunda. “Así que pensé en reescribir la teoría de la computación, basándola en la teoría cuántica en lugar de basarla en la teoría clásica”, dice Deutsch con naturalidad. “No esperaba que saliera nada fundamentalmente nuevo. Solo esperaba que fuera más riguroso”. Pronto, sin embargo, se dio cuenta de que estaba describiendo un tipo de computadora muy diferente. Incluso si logró los mismos resultados, llegó allí con los principios de la mecánica cuántica.

La nueva teoría de Deutsch proporcionó un vínculo crucial entre la mecánica cuántica y la teoría de la información. “Hizo que la mecánica cuántica fuera accesible para mí en mi lenguaje de informática”, dice Umesh Vazirani, científico informático de la Universidad de California, Berkeley. Más tarde, con el matemático australiano Richard Josza, Deutsch propuso, como prueba de principio, el primer algoritmo que sería exponencialmente más rápido que los algoritmos clásicos, aunque no hizo nada práctico.

Pero pronto surgieron aplicaciones más útiles. En 1991, Artur Ekert, entonces estudiante de posgrado en Oxford, propuso un nuevo protocolo de criptografía cuántica, E91. La técnica llamó la atención de muchos físicos por su elegancia y practicidad, así como por el hecho de que fue publicada en una importante revista de física. “Es una idea hermosa. Es un poco sorprendente que Ekert no sea parte de la lista” de ganadores del Premio Breakthrough de física fundamental de este año, dice Gisin.

Dos años más tarde, cuando Bennett, Brassard, Josza, el investigador en informática Claude Crépeau y los físicos Asher Peres y William Wootters propusieron la teletransportación cuántica, los físicos estaban prestando atención. La nueva técnica le daría a una parte la capacidad de transmitir información, como el resultado de lanzar una moneda, a otra a través del entrelazamiento, la correlación cuántica que puede vincular objetos como los electrones. A pesar de las afirmaciones populares de la ciencia ficción, esta técnica no permite mensajes más rápidos que la luz, pero ha ampliado drásticamente las posibilidades de las comunicaciones cuánticas del mundo real. “Esa es la idea más alucinante”, dice Chao-Yang Lu, un físico cuántico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, que ha ayudado a implementar la técnica desde el espacio.

Palabras como “revolución” se usan en exceso para describir el progreso de la ciencia, que suele ser lento e incremental. Pero en 1994 Shor discretamente comenzó uno. Mientras trabajaba en AT&T Bell Laboratories, había absorbido las charlas de Vazirani y Bennett. “Empecé a pensar en qué cosas útiles podrías hacer con una computadora cuántica”, dice. “Pensé que era una posibilidad remota. Pero era una zona muy interesante. Así que comencé a trabajar en ello. Realmente no le dije a nadie”.

Inspirado por el éxito que tuvieron otros algoritmos cuánticos con tareas que eran periódicas o repetitivas, Shor desarrolló un algoritmo que podía dividir números en sus factores primos (por ejemplo, 21 = 7 x 3) exponencialmente más rápido que cualquier algoritmo clásico. Las implicaciones fueron inmediatamente obvias: la factorización prima era la columna vertebral del cifrado moderno. Por fin, las computadoras cuánticas tenían una aplicación práctica verdaderamente revolucionaria. El algoritmo de Shor “simplemente dejó absolutamente claro que tienes que dejarlo todo” para trabajar en computación cuántica, dice Vazirani.

Aunque Shor había encontrado un caso de uso poderoso para una computadora cuántica, no había resuelto el problema más difícil de cómo construir una, ni siquiera en teoría. Los frágiles estados cuánticos que estos dispositivos podían explotar para superar la computación clásica también los hacían extremadamente vulnerables a los errores. Además, las estrategias de corrección de errores para computadoras clásicas no podrían usarse en computadoras cuánticas. Sin inmutarse, en una conferencia de computación cuántica en Turín, Italia, en 1995, Shor apostó a otros investigadores a que una computadora cuántica factorizaría un número de 500 dígitos antes que una computadora clásica. (Incluso con las supercomputadoras clásicas de hoy en día, factorizar 500 dígitos probablemente tomaría miles de millones de años). Nadie aceptó la apuesta de Shor, y algunos pidieron una tercera opción: que el sol se quemaría primero.

Dos tipos de errores afectan a las computadoras cuánticas: errores de bit y errores de fase. Estos errores son similares a mover la aguja de una brújula de norte a sur o de este a oeste, respectivamente. Desafortunadamente, la corrección de errores de bits empeora los errores de fase y viceversa. En otras palabras, un rumbo norte más preciso da como resultado un rumbo este u oeste menos preciso. Pero más tarde, en 1995, Shor descubrió cómo combinar la corrección de bit y la corrección de fase, una cadena de operaciones similar a resolver un Cubo de Rubik sin alterar un lado completo. El algoritmo de Shor sigue siendo ineficaz hasta que las computadoras cuánticas se vuelven más poderosas (el número más alto factorizado con el algoritmo es 21, por lo que la factorización clásica sigue a la cabeza, por ahora). Pero aun así hizo posible la computación cuántica, si no práctica. “Ahí fue cuando todo se volvió real”, dice Brassard.

Todo este trabajo condujo a nuevas visiones de la mecánica cuántica y la computación. Para Deutsch, inspiró una teoría aún más fundamental de los “constructores” que, dice, describen “el conjunto de todas las transformaciones físicas”. Otros siguen siendo agnósticos sobre la probabilidad de que surjan más conocimientos profundos del reino cuántico. “La mecánica cuántica es realmente extraña, y no creo que haya una forma fácil de entenderla”, dice Shor. Cuando se le pregunta si su trabajo sobre la computación cuántica hace que la naturaleza de la realidad sea más fácil o más difícil de entender, responde con picardía: “Ciertamente la hace más misteriosa”.

Lo que comenzó como un pasatiempo o una búsqueda intelectual ecléctica ahora ha crecido mucho más allá de muchas de las imaginaciones más salvajes de los pioneros del campo. “Nunca pensamos que alguna vez sería práctico. Fue muy divertido pensar en estas ideas locas”, dice Brassard. “En algún momento, decidimos que íbamos en serio, pero la gente no nos siguió. Fue frustrante. Ahora que está siendo reconocido hasta tal punto es extremadamente gratificante”.