La mayoría de la gente encuentra la mecánica cuántica complicada y difícil de entender. Agregue la teoría de la información (las matemáticas detrás de la computación) a la mezcla y es un verdadero dolor de cabeza.
Pero los teóricos de la información Charles H. Bennett y Gilles Brassard sostienen que la información cuántica es algo a lo que todos deberíamos acostumbrarnos. Es simple y hermoso, sostienen, y no permanecerá relegado al remoto mundo de lo subatómico por mucho tiempo. Pronto, por ejemplo, podría desaparecer todo el dinero de nuestras cuentas bancarias si no actuamos rápido. Esto se debe a que las computadoras cuánticas basadas en esta teoría podrían algún día romper la criptografía que protege nuestra Internet y nuestro sistema financiero.
Bennett y Brassard recibieron recientemente el premio AM Turing, que otorga anualmente la Association for Computing Machinery. El premio, que lleva el nombre del padre de la informática, Alan Turing, a menudo se denomina “Premio Nobel de Computación”. El premio de este año reconoce cómo los descubrimientos del dúo hicieron que la información cuántica fuera relevante e ineludible. Brassard es profesor en la Universidad de Montreal y Bennett ha trabajado en IBM durante más de 50 años.
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Antes de su trabajo, incluso los expertos consideraban que el mundo cuántico estaba separado del nuestro. Las matemáticas de la teoría cuántica funcionaban, pero pensaban que su lógica era diferente. En lo que respecta a la informática, el hecho de que el mundo microscópico sea cuántico era un dolor de cabeza molesto, algo que debía solucionarse. Los científicos creían que todo funcionaría mejor si pudieran ignorar con seguridad sus retorcidas reglas.
Pero en lugar de evitar fenómenos cuánticos extraños como la superposición y el entrelazamiento, Bennett y Brassard los abrazaron. Encontraron formas de inscribir códigos indescifrables y transmitir estados microscópicos a través de enormes distancias que serían imposibles con las computadoras clásicas que Turing había imaginado.
Scientific American habló con los pioneros de la informática sobre sus logros, sus advertencias y por qué todos deberíamos sentirnos cómodos con la tecnología cuántica.
[An edited transcript of the interview follows.]
¿Cómo empezaron ustedes dos a trabajar juntos?
BRASSARD: La primera vez que oí hablar de Charlie Bennett fue leyendo el número de noviembre de 1979 de Scientific American. Una columna imprimió uno de los manuscritos de Charlie palabra por palabra. Lo leí en el avión a San Juan, Puerto Rico. Al día siguiente estaba nadando, ocupándome de mis propios asuntos, cuando este completo desconocido se me acerca y empieza a contarme sobre el físico Stephen Wiesner y cómo hacer billetes de banco que son imposibles de falsificar.
¡Y ese era Charlie!
BENNETT: La gente intenta hacer que el dinero sea difícil de falsificar. Pero si eres realmente bueno en eso y trabajas muy duro y simplemente lo disecas bajo un microscopio, no hay barrera física para duplicarlo. Wiesner se dio cuenta de que se podía aprovechar la mecánica cuántica para ganar dinero físicamente imposible de falsificar. Basándonos en las ideas de Wiesner, Gilles y yo nos dimos cuenta de que era posible que dos personas establecieran una clave de cifrado sin que nadie más pudiera escuchar a escondidas.
Entonces, ¿cómo funciona esto realmente?
BENNETT: Entonces, si “Alicia” quiere enviarle una clave secreta a “Bob”, produce un tren de fotones, y la clave son las polarizaciones de estos fotones. Pero cualquiera que quiera medir una de las polarizaciones del fotón tiene que elegir una de dos formas de medirla: llamada rectilínea y diagonal. Y si eligen el equivocado, obtendrán una respuesta aleatoria y estropearán la polarización original del fotón.
Pero Bob tiene el mismo problema, ¿verdad?
BENNETT: De hecho. Bob no sabe qué polarizaciones eligió Alice, así que adivina, realizando aleatoriamente una medición rectilínea o diagonal en cada fotón a medida que llega.
BRASSARD: Echa a perder la mitad de los estados en el proceso, y ni siquiera sabe cuáles echó a perder. Pero luego le dice a Alice qué medidas eligió, sin decirle qué resultados obtuvo. Y luego Alice le dice qué opciones fueron correctas.
Cada uno tira la mitad de estos bits porque Bob los midió a lo largo del eje equivocado. Y los que guardan forman una clave que comparten y nadie más lo sabe.
Entonces, después de que Bob reciba los fotones y los mida, es crucial que él y Alice puedan comunicarse sobre qué mediciones realizó.
BRASSARD: Y esa comunicación puede ser abierta, en un canal público susceptible de escuchas ilegales. Pero es necesario autenticarlo: Alice debe estar segura de que el mensaje que recibe proviene de Bob y no ha sido alterado durante el tránsito, y viceversa.
BENNETT: Llamamos modestamente a este protocolo “BB84”, por nuestras dos últimas iniciales y el año en que lo descubrimos. Al principio nadie le prestó atención. Lo que realmente lo hizo fue cuando Peter Shor descubrió su algoritmo de factorización cuántica en 1994, lo que significó que la criptografía clásica, tal como se practicaba entonces, se volvería totalmente insegura en alguna fecha futura.
Entonces, ¿BB84 finalmente mostró a todos el poder de la información cuántica?
BENNETT: Bueno, eso y la teletransportación cuántica, que es la razón por la que el entrelazamiento cuántico impregna todo este campo hasta el día de hoy.
¿A qué te refieres con teletransportación? No se trata de mover materia física de un lugar a otro como en Star Trek, ¿verdad?
BENNETT: ¡No! Nuestro difunto colega Asher Peres, alguien con poco respeto por el espiritismo, conoció una vez a alguien de la opinión opuesta. Y le preguntaron: “Si teletransportaras a una persona, ¿teletransportaría sólo el cuerpo o también el alma?” Y Asher respondió alegremente: “¡Sólo el alma!”
Se transfiere la información cuántica (el estado del sistema), no el sistema físico en sí. Y lo haces entrelazando el sistema cuántico de Alice con el de Bob.
BRASSARD: Esto podría usarse para transportar información cuántica dentro de una computadora cuántica y algún día podría usarse para implementar una “Internet cuántica” para transferir información cuántica por todo el mundo, como lo hace Internet con la información clásica.
Nuestro artículo acaba de demostrar que la teletransportación era teóricamente posible. No teníamos ninguna duda de que se podía hacer. Por supuesto, nunca soñamos con hacer el experimento nosotros mismos.
Pero demostró el cifrado BB84 en una distancia de 30 centímetros. Ahora ambas ideas se han llevado a cabo a lo largo de miles de kilómetros. ¿Le sorprende este progreso?
BRASSARD: No creo que esperáramos nada de eso. Aún no era nuestro trabajo diario. Nos estábamos divirtiendo mucho lanzando estas locas ideas. Pero con el paso de los años, especialmente después de que salió el algoritmo de Shor, nos dimos cuenta de que era cada vez más grave.
La superposición y el entrelazamiento son aspectos de la mecánica cuántica que la mayoría de nosotros encontramos extraños y contradictorios. ¿Cómo se dio cuenta de que podían ser un activo y por qué nadie más había pensado eso hasta entonces?
BENNETT: Hubo personas muy inteligentes involucradas en los primeros días de la teoría de la información y la informática (Turing, Shannon y von Neumann) y todos sabían sobre mecánica cuántica. Pero lo vieron como una especie de molestia para el procesamiento de información porque hacía que la comunicación fuera más ruidosa y las mediciones menos confiables. Afortunadamente, debido al éxito de su trabajo, nos dimos cuenta de que esta molestia podría tener un uso positivo.
Wiesner fue el primero en decir: ¿para qué podemos utilizar esta molestia? Y luego nuestro trabajo demostró que el entrelazamiento es un recurso y que puede usarse para hacer cosas que no se pueden hacer con la información clásica. Es simple y hermoso.
La mayoría de la gente no piensa que la información cuántica sea algo simple.
BENNETT: ¡Pero lo es! Sólo hay que aceptar que un todo perfectamente definido puede tener partes aleatorias. Es completamente contradictorio, pero una vez que lo aceptas, gran parte de la rareza desaparece.
BRASSARD: Tuve tanto éxito en lavarme el cerebro que considero que la información cuántica y las leyes de la teoría cuántica son totalmente naturales. Está tan arraigado en mis pensamientos. ¡Lo único que no entiendo es que no puedo atravesar paredes!
¿Espera que su legado ayude a las personas a sentirse cómodas con la información cuántica?
BENNETT: Sí. Quiero que forme parte del conocimiento de cualquier persona educada. La relatividad también es contraintuitiva (el espacio y el tiempo están entrelazados), pero la mayoría de las personas educadas saben que la luz no puede escapar de un agujero negro.
BRASSARD: Estamos utilizando nuestra nueva fama para promover la conciencia de los profanos sobre la información cuántica. Pero también lo estoy usando para promover la conciencia sobre el desastre que se avecina una vez que las computadoras cuánticas socaven por completo los métodos de cifrado actuales.
BENNETT: Y descubre que su banco ha cerrado porque no puede proteger los activos que depositó en él.
BRASSARD: He estado viajando por todo el mundo diciéndole a la gente lo malo que va a ser. Y hasta hace poco me sentía como Casandra de la mitología griega: condenada a ver el futuro sólo para que nadie le creyera. Pero ahora la gente finalmente está escuchando.
¿Cómo podemos guardar nuestros datos?
BRASSARD: Bueno, cualquier información que alguna vez se haya transmitido a través de Internet es una causa perdida, porque incluso si estuviera cifrada, un oponente podría haberla descargado y guardado para un futuro en el que las computadoras cuánticas puedan descifrar cualquiera de los métodos antiguos. Por eso debemos aceptar el hecho de que el pasado está perdido. Sólo podemos esperar salvar el futuro.
Y para eso existe la llamada criptografía poscuántica: criptografía que no se ha demostrado que sea descifrable por una computadora cuántica. Pero eso no significa que no pueda ser así; por lo que sabemos, incluso una computadora clásica podría descomponerlo. Luego está la criptografía cuántica, que es segura si se implementa correctamente.
Pero si se usan ambas (establecer claves independientes con ambas técnicas y combinarlas, luego usar esa clave para enviar un mensaje), entonces, para romperlo, un adversario necesitaría romper ambos sistemas, lo que sería mucho, mucho más difícil.