El Premio Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas ha recaído este año en el físico Charles Bennett, el informático Gilles Brassard y el matemático Peter Shor. Los dos primeros inventaron la criptógrafía cuántica hace cuatro décadas, y diez años más tarde Shor presentó el algoritmo que lleva su nombre, unos avances fundamentales hacía la futura computación cuántica.
El estadounidense Charles Bennet, físico de IBM Research, y el informático canadiense Gilles Brassard, actualmente en la Universidad de Montreal, inventaron en los años 80 la criptografía cuántica, un avance que garantiza la inviolabilidad física de las comunicaciones.
La importancia de su trabajo se hizo patente cuando diez años más tarde el matemático estadounidense Peter Shor, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, en EE UU) descubrió que un hipotético ordenador cuántico convertiría en inservible los sistemas de criptografía convencionales en los que se basan la seguridad y la privacidad de las comunicaciones actuales en internet. Es decir, cuando exista un auténtico ordenador cuántico, las comunicaciones solo estarán seguras gracias a la criptografía cuántica.
“Las contribuciones sobresalientes a las áreas de computación y comunicación cuánticas” de estos tres investigadores les han valido la concesión del Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento 2020 en la categoría de Ciencias Básicas, según ha anunciado hoy la institución organizadora.
El jurado, del que forman parte el premio Nobel de Física Theodor Hänsch y el físico cuántico Ignacio Cirac, ha destacado el gran impulso experimentado en los últimos años por las tecnologías cuánticas, que se asienta en gran medida sobre las aportaciones pioneras de los galardonados.
Su trabajo –describe el acta– “abarca múltiples disciplinas y aúna conceptos de matemáticas, física y ciencias de la computación. Sus ideas están desempeñando un papel clave en el desarrollo de las tecnologías cuánticas para la comunicación y la computación”.
Estas tecnologías transformarán la sociedad de manera escalonada. La criptografía cuántica nació como un hallazgo proveniente de la ciencia básica que en unas décadas ha dado lugar a una nueva tecnología ya en el mercado, y en pleno auge.
La criptografía cuántica nació como un hallazgo proveniente de la ciencia básica que en unas décadas ha dado lugar a una nueva tecnología ya en el mercado, y en pleno auge.
Cuando Bennett, investigador en IBM Research desde hace más de cuatro décadas, y Brassard, actualmente catedrático en Ciencia de la Información Cuántica en la Universidad de Montreal, empezaron a colaborar en 1979, ese escenario estaba muy lejos de ser siquiera imaginable.
La física cuántica y la computación eran campos de trabajo distantes entre sí, y la investigación en la relación entre ambos se consideraba marginal. Para 1984, su trabajo conjunto había dado con un resultado muy llamativo: un sistema de criptografía que, según explica el acta del jurado, “permite codificar y transmitir mensajes usando las leyes de la física cuántica de manera que impide la escucha de terceros incluso si dispusieran de recursos computacionales cuánticos”.
Para crear la criptografía cuántica, aprovecharon uno de los extraños fenómenos que se dan en el mundo cuántico, la superposición, que –dicho de manera simplificada– hace posible que una partícula esté en dos o más lugares a la vez.
La teoría cuántica prevé que si alguien observa la partícula esta duplicidad desaparece, y la partícula aparece en una posición o en la otra. Si esta partícula estuviera siendo transmitida, cualquier intento de hackeo rompería la superposición y los interlocutores lo sabrían al instante.
Bennett y Brassard presentaron esta invención en un trabajo hoy conocido simplemente como BB84, por las iniciales de sus autores y el año de publicación. Se reconoce hoy como la primera aplicación práctica de la ciencia de la información cuántica.
“La información cuántica es un tipo de información que se altera si alguien la observa, y no puede ser copiada. Brassard y yo nos dimos cuenta de que podía tener una utilidad práctica: un sistema para enviar mensajes, en el que el emisor y el receptor advertirían de inmediato si alguien hubiera escuchado el mensaje durante su transmisión”, explicó ayer Bennett por teléfono tras conocer el fallo. “Eso es en esencia la criptografía cuántica”.
La importancia de BB84 no fue reconocida por la comunidad de manera inmediata. Las técnicas criptográficas en uso, que garantizan la seguridad de todas nuestras comunicaciones y transacciones en internet, están basadas en el hecho de que hay problemas matemáticos que los ordenadores no pueden resolver, y a mediados de los ochenta nada hacía suponer que dejaría de ser así. Pero una década más tarde la situación cambiaría, gracias al trabajo de Peter Shor, profesor de matemáticas aplicadas en el MIT.
Shor descubrió que precisamente el problema irresoluble en que se basa la criptografía clásica, la factorización de grandes números, sí estaría al alcance de un hipotético ordenador cuántico. Como señala el acta, “Shor descubrió que los ordenadores cuánticos podrían factorizar números enteros mucho más rápido que cualquier súperordenador, comprometiendo por tanto la seguridad de los sistemas criptográficos”.
Esta aportación de Shor lleva su nombre: el algoritmo de Shor, y es uno de los algoritmos cuánticos que constituyen el lenguaje, ahora en pleno desarrollo, en que hablarán los futuros ordenadores cuánticos.
En palabras de Bennett, “cuando Shor descubrió que si se construyera un ordenador cuántico sería capaz de derrotar a los actuales sistemas criptográficos, esto estimuló mucho la investigación, ya que los criptógrafos querían desarrollar sistemas más seguros que ni siquiera un ordenador cuántico pudiera romper. Y al mismo tiempo, empezó a interesar la idea de desarrollar ordenadores cuánticos para averiguar qué utilidad podrían tener, aparte de descifrar códigos”.
Por su parte, Brassard también recordó ayer por teléfono esa etapa de su carrera: “Nosotros creamos el sistema BB84 diez años antes de que Shor descubriera que un ordenador cuántico pondría en riesgo toda la infraestructura criptográfica existente entonces”.
“La importancia de nuestro trabajo se hizo mucho más evidente después de ese trabajo de Shor –añade–. Así que, tiene gracia, porque en 1984 la teoría cuántica llevó a la invención del sistema más seguro de transmisión de información, y diez años después la misma teoría puso en duda todos los sistemas criptográficos desarrollados hasta entonces ¡menos el nuestro!”.
Bennett y Brassard siguieron colaborando estrechamente varias décadas. También han trabajado con Shor, que ayer explicó así su aportación: “Los actuales sistemas criptográficos dependen de la factorización. Si pudieras factorizar números rápidamente, podrías romper los códigos de los actuales sistemas criptográficos. Lo que demostré es que un ordenador cuántico podría factorizar números grandes con bastante rapidez”.
“Por supuesto, hasta ahora nadie ha construido un ordenador cuántico suficientemente grande como para factorizar grandes números, y probablemente pasarán años o décadas hasta que se consiga”, añade.
Poco después de crear su algoritmo, Shor obtuvo otro resultado esencial: la corrección de errores cuánticos, “un requisito esencial que permite la escalabilidad de los ordenadores cuánticos”, señala el acta.
Los ordenadores cuánticos, por su propia naturaleza física, están expuestos a una gran cantidad de ruido, fuente de numerosos errores. Antes del resultado de Shor no se creía tecnológicamente posible superar el desafío de aislar los ordenadores cuánticos lo bastante como para eliminar los errores. Shor insufló esperanza en el área y propulsó su avance.
La criptografía cuántica es actualmente una de las tecnologías cuánticas más avanzadas, con varias empresas en Europa y Estados Unidos. En China existe ya una conexión entre Beijing y Shanghai que empieza a usarse para aplicaciones comerciales, y en 2016 China lanzó un satélite para establecer un enlace experimental con Europa.
El desarrollo de la computación cuántica, sin embargo, es visto por los galardonados como un logro a largo plazo en el que ha habido cierta sobreventa, asociada a la complejidad intrínseca del mundo cuántico: “Es difícil explicar lo diferente que es la información cuántica respecto a todo lo conocido”, explica Bennet.
“Es totalmente contraintuitivo –comenta–. Durante décadas los filósofos y científicos se han preguntado por las implicaciones de los hallazgos en el mundo cuántico, y ahora en el mundo de los negocios también se lo plantean. El peligro es que la gente se entusiasma por algo que no entiende del todo, por eso quizás su entusiasmo es excesivo y se vuelven impacientes a la hora de lograr aplicaciones. Estoy encantado con el enorme interés [por este campo], pero lleva a la gente a preguntarse cuándo van a tener un ordenador o un smartphone cuántico en el bolsillo, y realmente es una pregunta muy prematura”.
Sin embargo los premiados no dudan en ningún momento del potencial futuro de los ordenadores cuánticos. Para Brassard, “el siglo XIX fue la era de la máquina de vapor, el siglo XX fue la era de la Información y el siglo XXI será recordado como la Era Cuántica, la era en la que las tecnologías cuánticas desencadenarán todos los principales cambios que veremos en la sociedad, de una manera que hoy no podemos prever”.
Shor considera que se tardará “entre 5 y 10 años en lograr que un ordenador cuántico pueda hacer algo que pueda considerarse mínimamente útil”, pero está convencido de que con el tiempo se lograrán aplicaciones revolucionarias con estas máquinas, por ejemplo en el campo biomédico para facilitar la creación de nuevos fármacos: “Ahora mismo el comportamiento de las moléculas no se puede simular adecuadamente, pero los ordenadores cuánticos podrían lograrlo, y ayudarnos a diseñar nuevos medicamentos”.
Investigadores del Instituto de Física Corpuscular han logrado medir en el laboratorio la formación de un elemento clave en la evolución de la composición química de los elementos pesados. Un isótopo de este elemento, el Plomo-204, se produce en estrellas gigantes rojas, responsables de la creación de la mitad de los elementos más pesados que el hierro en la naturaleza.
La Real Academia Sueca de las Ciencias ha premiado a los investigadores John Hopfield, de la Universidad de Princeton (EE UU), y Geoffrey Hinton, de la Universidad de Toronto (Canadá), por sus descubrimientos e inventos que permiten el aprendizaje automático con las redes neuronales artificiales.
