LA CRIPTOGRAFÍA CUÁNTICA Y LA INFORMACIÓN INVIOLABLE. IGNACIO CIRAC.

El físico alemán Theodor W. Hänsch (Premio Nobel en 2005, por sus trabajos en el campo de la espectroscopia) era el presidente del jurado de los Premios "Fronteras del Conocimiento" –concedidos por Fundación BBVA–, en su categoría de Ciencias Básicas, cuando, en el año 2008 el galardón recayó en el único español que hasta la fecha ha recibido dicha mención en esta categoría. Se trata de Ignacio Cirac y de él llegó a decir el Nobel alemán que era “el Mozart de la Óptica Cuántica”. Y, sin duda, lo decía por su virtuosismo y su genialidad. Cirac es hoy director de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en Garching, Alemania, tras pasar por varios de los laboratorios más importantes a nivel mundial en el campo de la Física Teórica. En los últimos años su nombre ha estado presente en todas las quinielas que aparecen previas a la concesión del Premio Nobel y el hecho de que recibiera en el año 2013 el premio Wolf ha servido para que acreditadas voces lo coloquen entre los más firmes candidatos. Hoy tengo la suerte de contar con él en este blog y de disfrutar de su mente clara.

 

José Antonio Garrido (JAG). Buenas tardes, profesor. Me alegra contar con usted en mi blog. Es un auténtico honor. A lo largo de su carrera, usted ha trabajado en Estados Unidos, Austria y, desde el año 2001, en Alemania, donde dirige la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica. Desde esa distancia con la que puede mirar a España, ¿qué valoración hace de la ciencia que se está desarrollando en nuestro país?

Ignacio Cirac (IC). Mi valoración es muy positiva. Si comparamos la ciencia que se está haciendo en España en los últimos veinte años con la que se hacía hace treinta o cuarenta años, podemos ver que la mejoría ha sido notable. Sin lugar a dudas, la ciencia en España está a un nivel internacional muy alto.

 

JAG. Los mayores reconocimientos que ha recibido se deben a su investigación en el campo de la compuntación cuántica. Aun a riesgo de parecer simplistas, podríamos decir que esta disciplina surge de la introducción de la física cuántica en el mundo de la informática. Y la mecánica cuántica a lo que se dedica es a estudiar los fenómenos ocurridos a nivel atómico, allí donde las leyes de la mecánica clásica no son capaces de llegar. ¿Cómo puede la mecánica cuántica mejorar el campo de la informática? ¿Qué es un computador cuántico?

IC. La idea básica parte de las predicciones que la física cuántica hace para una serie de fenómenos que podríamos calificar como “extraños” y que no son perceptibles en el mundo ordinario, como tampoco lo son en los ordenadores que conocemos. Así, lo que la física cuántica pretende es utilizar estos fenómenos extraordinarios que sólo son observables al descender al mundo cuántico para hacer cosas extraordinarias en el campo de la informática. Más concretamente, la idea sería utilizar propiedades de la física cuántica relacionada con lo que llamamos principio de superposición –que dicho vulgarmente significa que una partícula puede tener dos valores de una propiedad a la vez–, para obtener ordenadores mucho más potentes que los actuales gracias al uso distinto que hacen de la computación.

 

JAG. La informática “clásica” utiliza como unidad de información básica el bit, que es un dígito binario –que puede tomar el valor 0 o el 1–, cuya combinación puede codificar casi cualquier mensaje. Una combinación determinada de bits puede significar una palabra, una imagen o un color. Pero en la física cuántica hemos visto que una partícula puede estar en varios estados a la vez, de manera que si llevamos estas partículas al campo de la informática, nos encontramos con los qubits, o bits cuánticos, que vuelven a representar unidades de información básica –esta vez, información cuántica– pero que no sólo van a tomar los valores de 0 o 1, sino que pueden, además tomar ambos a la vez, o ninguno. ¿Cómo mejora esto a la informática tradicional?

IC. Gracias a este nuevo concepto, es posible que los computadores cuánticos realicen determinadas operaciones que con los ordenadores clásicos resultan imposibles. Piensa que si podemos hacer que una sola partícula haga dos cosas a la vez, la eficiencia de los procesos en los que esté involucrada será mayor que si esa partícula sólo puede ocupar un estado determinado en cada momento. Además, el crecimiento de esta mayor capacidad es exponencial. Si uno tiene dos qubits, éstos podrán presentar cuatro estados a la vez; si tiene tres qubits, ocho, y así sucesivamente. Es decir, con un número razonablemente pequeño de estos bits cuánticos se pueden hacer muchas tareas a la vez, y es así cómo la física cuántica puede ser utilizada para resolver problemas complejos que son difíciles de resolver con ordenadores clásicos.

 

JAG. En cualquier proceso de comunicación se produce una transmisión de la información. Y para que ésta se dé tiene que haber un emisor, un receptor, un mensaje, un código y un canal. Pero en la transmisión de información cuántica lo que pasa es que un mensaje podría llegar desde un emisor a un receptor sin necesidad de ningún canal. ¿Es esto lo que se conoce como “efecto túnel”? ¿En qué consiste? ¿Podría servir esto, por ejemplo, para la transmisión segura de mensajes secretos?

IC. Bueno, en realidad existe una diferencia fundamental con respecto al efecto túnel. En éste, una partícula puede desplazarse de un lugar a otro sin pasar por las posiciones intermedias, cubriendo distancias muy pequeñas, mientras que de lo que estamos hablando aquí es de información, de cómo una información puede desaparecer de un sitio y pasar a otro sin recorrer el camino que separa ambos lugares. Podemos decir que está más relacionado con lo que conocemos como teletransporte cuántico. Y precisamente esa cualidad es la que nos permite concebir una nueva forma de enviar mensajes secretos que llamamos criptografía cuántica y que es más segura porque no hay forma de descifrarla. No se basa en codificar el mensaje a través de una serie de patrones, sino que simplemente la información desaparece de un sitio y aparece en otro.

 

JAG. Sabemos que en la actualidad se está trabajando con algunos prototipos de computadores cuánticos, pero para que éstos funcionen necesitan de una serie de sistemas ópticos, circuitos eléctricos y láseres que pueden ocupar un laboratorio de hasta cuarenta o cincuenta metros cuadrados. Evidentemente, la popularización de estos ordenadores pasa por encontrar un hardware adecuado que hoy no existe. ¿Por dónde camina la investigación actual? ¿En qué estado nos encontramos? ¿Para cuándo prevé que los ordenadores cuánticos podrán sustituir definitivamente a los sistemas tradicionales? ¿O no llegará esto a pasar nunca?

IC. En la actualidad se está trabajando con dos tecnologías que abordan el problema desde dos planteamientos distintos, y en ambos casos se dispone ya de varios prototipos de ordenadores cuánticos. La primera de estas tecnologías está basada en lo que llamamos iones atrapados en campos magnéticos, mientras que la otra lo hace gracias al uso de circuitos cuánticos superconductores. Si todo sigue la buena línea por la que discurren, imagino que tendremos un ordenador cuántico dentro de treinta o cuarenta años, más o menos. Siempre dependerá de cómo se desarrolle la tecnología en el futuro. Lo que no tengo tan claro es que los ordenadores cuánticos lleguen a remplazar a todos los ordenadores que utilizamos hoy en día. Los ordenadores cuánticos se podrán utilizar para hacer cálculos muy especiales y por lo tanto tienen que sustituir sólo a los ordenadores que se utilizan en la actualidad para hacer esos cálculos.

 

JAG. A principios de este año, la NASA y Google informaron de que habían adquirido un ordenador cuántico llamado D-Wave Two, por un valor de 15 millones de dólares y que, según la compañía que lo fabricó, era unas 35000 veces más rápido que un ordenador ordinario. Pero hace unos pocos meses Matthias Troyer, un físico del Instituto Federal de Tecnología Suiza llevó a cabo una serie de experimentos cuyas conclusiones fueron publicadas en la revista Nature, que pusieron de manifiesto que la velocidad de este ordenador cuántico era similar a la de un ordenador clásico. ¿Cuál es el problema? ¿Nos encontramos ante la evidencia de un error de cálculo o es que realmente la computación cuántica no es tan efectiva como pensábamos?

IC. El problema fue que eso no era un ordenador cuántico. Imaginemos que cogemos un trozo de cartón. De él podríamos decir que tiene moléculas y que éstas cumplen las leyes de la física cuántica. Descendiendo al nivel cuántico podríamos terminar concluyendo que eso es un ordenador cuántico, pero no lo es. Para construir un ordenador cuántico tenemos que dotarlo de sus puertas lógicas y de todos los elementos de los que estamos hablando. Es cierto que la compañía lo vendió como un ordenador cuántico, pero no lo era; no funcionaba bajo las leyes de los ordenadores cuánticos. Ellos lo llamaron quantum annealer y dijeron que podría resolver problemas que luego se ha visto que no ha podido resolver. Pero yo creo que toda la comunidad científica, incluso antes de los estudios de Matthias Troyer, coincidía en concluir que eso no era un ordenador cuántico.

 

JAG. La otra gran línea de su investigación actual está relacionada con las teorías microscópicas. Éstas surgen después de darnos cuenta de que, para entender el mundo que nos rodea no es suficiente con llevar a lo microscópico las teorías macroscópicas que manejamos con relativa comodidad. Es decir, el conocimiento creciente del mundo microscópico está generando explicaciones y conceptos que nos están ayudando a explicar fenómenos macroscópicos. ¿Cómo pueden las teorías microscópicas mejorar nuestro día a día? ¿En qué campos o aplicaciones están centradas en la actualidad estas teorías?

IC. En la actualidad se están utilizando muchas teorías microscópicas, en distintos campos de aplicación, que nos ayudan a mejorar nuestra vida. En lo que yo trabajo, concretamente, es un tema muy sofisticado, pero éste es sólo una pequeñísima parte de todo lo que se está haciendo en este campo. Nosotros nos dedicamos a establecer teorías de aplicación en sistemas cuánticos, sistemas altamente correlacionados, pero hay gente que trabaja en sistemas electrónicos, en sistemas magnéticos o en el diseño de materiales, todos ellos desde la perspectiva de las teorías microscópicas. También son destacables los trabajos desarrollados en el campo de  la química, donde se está estudiando cómo determinadas propiedades microscópicas pueden ser fundamentales en la síntesis de nuevos compuestos.

 

JAG. El siglo XXI nos ha traído grandes hitos de la física. Entre ellos destaca, cómo no, la creación del primer ordenador cuántico, pero también otros como el hallazgo del Bosón de Higgs o el desarrollo del estudio de materiales nuevos como el grafeno. ¿Hacia dónde cree que camina la física? Cuando dentro de quince o veinte años volvamos a hacer balance de los grandes avances de este siglo, ¿qué novedades cree que podremos incluir en esta lista?

IC. Me resulta imposible predecir las novedades de los próximos quince años; casi ni me atrevería a imaginarlas…  Pero supongo que los hitos que terminarán quedando serán todos aquellos que concluyan los trabajos ya comenzados y que han dado lugar a la concesión de varios premios Nobeles en los últimos años. Me refiero a estudios relacionados con, por ejemplo, y ya que lo mencionas, el bosón de Higgs, pero también con la generación de las galaxias, o a lo mejor con cosas como los exoplanetas o los materiales topológicos.

 

JAG. Usted ha recibido en su carrera científica premios importantísimos. De entre los más destacados, en el año 2006 fue galardonado con el Premio Príncipe de Asturias, y el año pasado con el Premio Wolf, en la categoría de Física, probablemente el reconocimiento más importante después del Premio Nobel y que muchas veces es considerado el anticipo de éste. Además, año a año usted ocupa puestos notables en los rankings que se hacen midiendo el mérito científico a través de publicaciones en revistas Physical Review, de la American Physical Society. ¿Cómo vive estos hechos? A este nivel, ¿los premios son un reconocimiento o una responsabilidad? ¿Asusta la visión del Nobel en el horizonte?

IC. Yo me considero un privilegiado; lo he dicho muchas veces. Trabajo en lo que me gusta y las condiciones en las que lo hago son verdaderamente muy buenas. Además, me siento suficientemente reconocido por la sociedad. Se me ha reconocido mi trabajo en muchas ocasiones y estoy muy agradecido. Todo esto de los premios lo considero como un estímulo para seguir trabajando. Pero no sólo para mí, sino también para mis colaboradores que son partícipes de estos premios.

 

JAG. Para finalizar, quisiera pedirle una recomendación. Me gustaría que nos aconsejara la lectura de algún libro, de carácter científico o no, que crea que no debamos de dejar de leer.

IC. Me cuesta mucho destacar un único libro, pero si tengo que hacerlo diría Sinuhé el egipcio, de Mika Waltari. Aunque también podría destacar cualquiera de todos los libros de Vargas Llosa.

 

JAG. Muchísimas gracias. Ha sido un placer.

IC. El placer ha sido mío.