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24 Abr. 2017

IGNACIO CIRAC: “Estamos a las puertas de una segunda revolución cuántica”

 “Con un ordenador cuántico se pueden resolver problemas que son imposibles con los superordenadores que existen hoy en día.”

“Para nuestras transacciones cotidianas por internet (compras, mensajes privados, etc.), ciframos la información con claves de muchos dígitos, lo que nos garantiza que ningún ordenador actual puede descifrarlas.”

“Los experimentos de entrelazamiento cuántico llevados a cabo en los Observatorios del IAC, entre telescopios de Tenerife y La Palma nos va a ayudar al desarrollo de tecnologías basadas en el entrelazamiento y la teletransportación cuántica.”

 

 

Por Héctor Socas (IAC)

 

El descubrimiento de la Física Cuántica dio lugar a una de las más importantes revoluciones científicas y tecnológicas que ha experimentado la humanidad. Por ejemplo, produjo el descubrimiento de los láseres, de los semiconductores o de la energía nuclear. En los últimos años, se ha experimentado una ‘segunda revolución cuántica’, donde no sólo se confirman los aspectos de la Física Cuántica más exóticos, sino que también tendrá mayores consecuencias tecnológicas. En particular, están surgiendo nuevas oportunidades criptográficas y computacionales que serían imposibles de alcanzar con otras tecnologías. Hoy en día se están haciendo grandes esfuerzos internacionales para construir ordenadores cuánticos, sistemas criptográficos y otros dispositivos. Invitado por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), Juan Ignacio Cirac Sasturáin, director de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania) y Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2006, explicó la bases de todos estos dispositivos y sus potenciales aplicaciones así como la situación actual de esos esfuerzos internacionales y sus perspectivas con respecto a nuevas tecnologías.

  

PREGUNTA: Usted afirma que estamos a las puertas de una segunda revolución cuántica. ¿A qué se refiere? 

RESPUESTA: Gran parte de nuestra tecnología electrónica, como los semiconductores, los lásers, y otros avances similares están basados en la Física Cuántica. Sería difícil imaginar la sociedad actual sin ordenadores, smartphones, GPS, telecomunicaciones por satélite, etc. Esa fue la primera revolución cuántica. Hoy en día tenemos los conocimientos suficientes como para explotar algunos de los efectos más exóticos y contraintuitivos de la Física Cuántica, como el principio de superposición o el entrelazamiento cuántico. La computación cuántica es el ejemplo más obvio de nuevas tecnologías basadas en estos efectos, pero seguramente se desarrollarán otras, algunas de las cuales somos incapaces ni siquiera de imaginar ahora mismo.

P: ¿En qué se diferencia un ordenador cuántico de uno clásico?

R: En el ordenador clásico, la memoria está hecha de un gran número de bits. Cada bit puede tomar los valores 0 o 1. En el caso del ordenador cuántico tenemos los qubits, o bits cuánticos, que pueden contener un 0, un 1, o una superposición de ambos estados que coexisten simultaneamente. Como el famoso gato de Schrödinger, que está vivo y muerto al mismo tiempo hasta que alguien lo observa, los bits cuánticos están en superposición de estados hasta que hacemos una medida. Lo interesante es que podemos manipular estos bits para hacer cálculos muy complejos dando lugar a infinidad de combinaciones de estados superpuestos entre los diferentes qubits. Todos estos estados posibles coexisten simultáneamente y se utilizan en la operación. El algoritmo se programa para que los qubits interfieran de forma que al final obtenemos con alta probabilidad el resultado deseado. La complejidad de los cálculos que se pueden hacer aumenta exponencialmente con el número de qubits, y por ello se pueden resolver problemas que son imposibles con los superordenadores que existen hoy en día. Pero tecnológicamente es muy difícil producir estos qubits y, sobre todo, mantenerlos suficientemente aislados como para que no se perturben y se arruine el cálculo.

P: ¿Cuándo cree que podremos tener los primeros ordenadores cuánticos?

R: Actualmente existen algunos prototipos, pero no nos equivoquemos. Se trata únicamente de sistemas experimentales para desarrollar las tecnologías de creación y matenimiento de qubits. No son capaces de hacer nada útil. Yo espero que muy pronto, en uno o dos años, se construya el primer ordenador cuántico capaz de hacer algo mejor que uno clásico. A esto a menudo se le llama "supremacía cuántica", pero únicamente hace referencia a un problema concreto. Eso sí, será un problema meramente académico, algo sin ningún interés práctico, que este ordenador cuántico será capaz de resolver. Para que realmente podamos tener ordenadores cuánticos que puedan superar claramente a los ordenadores actuales habrá que esperar algo más. Yo estimo que entre diez y veinte años.

P: Se dice que el ordenador cuántico acabará con la privacidad en internet y la posibilidad de realizar transacciones, compras y ventas. ¿Es esto cierto?

R: Acabará con la privacidad y las transacciones tal y como las conocemos hoy en día, pero, a su vez, las tecnologías cuánticas también nos traerán nuevos métodos, mucho más potentes. En la actualidad, utilizamos unas técnicas de encriptación de los mensajes y de las transacciones basadas en sistemas de clave pública. Estos métodos son muy fáciles de implementar y funcionan porque, para descifrar los mensajes, se tendría que resolver un problema matemático llamado factorización que hoy en día lleva demasiado tiempo. Con los superordenadores actuales, se tardan años en factorizar números de 200 dígitos. Para nuestras transacciones cotidianas por internet (compras, mensajes privados, etc.), ciframos la información con claves de muchos dígitos, lo que nos garantiza que ningún ordenador actual puede descifrarlas. Sin embargo, la llegada de los ordenadores cuánticos es una amenaza para esta criptografía porque serán capaces de resolver problemas de factorización y, por tanto, descifrar estas claves, en cuestión de minutos. Por fortuna existen otros métodos de cifrado que hoy en día no sabemos cómo resolver ni siquiera con ordenadores cuánticos. Así que no hay que temer un colapso de las comunicaciones. Lo que ocurrirá es que se producirá un cambio en las tecnologías de encriptación que utilizamos. Habrá problemas prácticos que resolver puesto que estos métodos nuevos son más costosos y complejos que los actuales. Lo que sí puede ocurrir es que, con la irrupción de los ordenadores cuánticos, se puedan descifrar mensajes antiguos, que se estén enviando ahora mismo o en los últimos 20 años. Seguramente en este momento hay individuos y organizaciones almacenando todo el tráfico cifrado que pasa por internet con la esperanza de poder descifrarlos en un futuro cercano. No creo que sea algo que deba quitar el sueño al usuario medio, pero imagino que los grandes líderes mundiales y agencias de inteligencia deben estar muy preocupados con la cuestión.

P: ¿Se producirá entonces una carrera entre métodos de cifrado y ordenadores que los descifren?

R: Es posible. Como decía, existen métodos que a día de hoy no sabemos descifrar ni siquiera con ordenadores cuánticos. Pero nadie garantiza que en un futuro no se descubra un algoritmo nuevo con el que se puedan descifrar. Podría darse esa situación de carrera criptográfica. Otra posibilidad es que empecemos a utilizar lo que se llama criptografía cuántica, que sí podemos garantizar que será siempre inviolable. No es que no sepamos cómo descifrarla, sino que las leyes de la Física Cuántica nos garantizan que no se puede hacer. Esta es una técnica que a día de hoy es factible, aunque compleja tecnológicamente. Se basa en enviar la información codificada en sistemas cuánticos, por ejemplo fotones, a través de un cable de fibra óptica. Con la tecnología actual existen limitaciones prácticas de distancia, típicamente de unos 20 km. Se pueden utilizar repetidores con los que podríamos crear una especie de red global de comunicación cifrada. Otra alternativa es el uso de satélites con los que enviar señales entre puntos lejanos. 

P: ¿Se puede realmente llegar a entender la Física Cuántica?

R: Esta es una pregunta que se ha debatido mucho a nivel filosófico. En realidad, depende de la definición de "entender". En general, decimos que entendemos algo cuando encontramos una analogía con conceptos cotidianos. Por ejemplo, si digo que un átomo es una bolita en el núcleo con otra bolita que da vueltas alrededor, me quedo tranquilo y pienso que ya lo entiendo, aunque este modelo sea incorrecto. Desde ese punto de vista, es difícil encontrar analogías adecuadas para la Física Cuántica porque sus leyes chocan frontalmente con nuestra intuición cotidiana. Sin embargo, sí que la entendemos en el sentido de que sus leyes están perfectamente claras y uno es capaz de predecir con total precisión cuál va a ser el resultado de un determinado experimento. Se han propuesto varias interpretaciones de la cuántica. Todas ellas producen el mismo efecto observable y por tanto son indistinguibles desde el punto de vista científico. Los argumentos para preferir una u otra son totalmente subjetivos o filosóficos. Yo no tengo una opinión muy fuerte en este sentido. Me parece que, en ausencia de criterios objetivos, no tiene sentido defender una interpretación frente a otra. Quizás como cuestión de gusto personal tengo una ligera preferencia por la interpretación de variables ocultas no locales.

P: ¿Qué opina cuando oye hablar de sanación cuántica o entrelazamiento cuántico entre almas?

R: No sé de qué están hablando y, desde luego, no tiene nada que ver con lo que yo hago ni con la Física Cuántica.  

P: ¿Está al corriente de los experimentos de entrelazamiento cuántico que se han llevado a cabo en los Observatorios de Canarias, entre telescopios en Tenerife y La Palma?

R: Sí, los conozco bien y mi instituto ha estado involucrado en este trabajo. Me parece un estudio interesantísimo que nos va a ayudar al desarrollo de tecnologías basadas en el entrelazamiento y la teletransportación cuántica. Un ejemplo obvio es el cifrado cuántico al que hacía referencia antes. Se trata de enviar fotones entrelazados a grandes distancias. Espero que podamos continuar colaborando con el IAC para el desarrollo de estos experimentos cuánticos en el futuro. 

P: ¿Qué impresión le han causado el Instituto y los Observatorios de Canarias tras su visita estos días?

R: Conocía el Instituto y los Observatorios, pero no personalmente. He quedado muy impresionado por las instalaciones de primer nivel y la investigación puntera que se está haciendo aquí en muchas áreas de la Física. He tenido ocasión de discutir con expertos del IAC sobre aspectos como el origen del Universo, la física de plasmas magnetizados en el Sol, las últimas técnicas de observación astronómica y, por supuesto, aprender sobre galaxias lejanas o los nuevos exoplanetas que se van descubriendo. Ha sido una experiencia excepcional. Estoy realmente orgulloso de que haya un centro como el IAC en España.

 

Se puede escuchar la entrevista ampliada en el podcast de la tertulia semanal “Coffee Break: Señal y Ruido” del IAC a partir del viernes 28 de abril de 2017: http://señalyruido.com

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