El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas ha sido concedido en su duodécima edición a Charles Bennett, Gilles Brassard y Peter Shor por sus "contribuciones sobresalientes a las áreas de la computación y la comunicación cuánticas", afirma el acta del jurado.

Bennett y Brassard, físico químico e informático respectivamente, inventaron en los años ochenta la criptografía cuántica, que garantiza la inviolabilidad física de las comunicaciones. La importancia de su trabajo se hizo patente cuando diez años más tarde el matemático Peter Shor descubrió que un hipotético ordenador cuántico convertiría en inservibles los sistemas de criptografía convencional 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.

El jurado, presidido por el Premio Nobel de Física Theodor Hänsch y cuyo secretario es 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 jugando un papel clave en el desarrollo de las tecnologías cuánticas para la comunicación y la computación”.

La invención de la criptografía cuántica

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 Canadá, 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. Hacia 1984, no obstante, Bennett y Brassard habían 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, Bennett y Brassard 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. Gilles 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.

El algoritmo que amenazó a la criptografía convencional

Shor, catedrático de matemáticas aplicadas en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), descubrió que precisamente el problema irresoluble en que se basa la criptografía clásica, la factorización de grandes números –es decir, su descomposición en números primos–, 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 lleva el nombre de su descubridor: 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, estimuló mucho la investigación. Y al mismo tiempo, empezó a interesar la idea de desarrollar ordenadores cuánticos para averiguar qué utilidad podrían tener, aparte de descifrar códigos”.

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 lo suficientemente grande como para factorizar grandes números, y probablemente pasarán años o décadas hasta que se consiga”.

Poco después de crear su algoritmo, Shor obtuvo otro resultado esencial: la corrección de errores cuánticos, “un requisito primordial 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. “Todo el mundo pensaba que no se podían corregir errores en un ordenador cuántico porque, en cuanto intentas medir un sistema cuántico, lo alteras, y por lo tanto si intentas medir un error para corregirlo, modificas e interrumpes la computación. Pero mi algoritmo demostró que es posible aislar el error, de tal manera que puedes corregirlo sin alterar la computación”, explica Shor.

Las promesas de una tecnología en auge

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 desafío a largo plazo que no dará respuesta inmediata a las altas expectativas generadas por los primeros prototipos presentados por grandes empresas tecnológicas: “Estoy encantado de que hoy muchas personas inteligentes investiguen en este campo, porque en el pasado solo éramos media docena de personas, y el progreso era mucho más lento. Pero la gente tiene demasiada prisa por conocer su utilidad práctica, sobre todo si tenemos en cuenta que la información cuántica es de naturaleza muy frágil, requiere un hardware muy preciso y resistente al error, y a cualquier impacto del entorno. Supone desafíos para la ingeniería extremadamente complejos, no necesariamente imposibles de superar, pero sin duda tardaremos años en lograrlo”.

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,por su parte,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”.