L’Associació de Maquinària Computacional (ACM) ha anunciat fa unes hores que concedeix el Premi Turing del 2025 a Charles H. Bennett i a Gilles Brassard ‘pel llur rol essencial en l’establiment dels fonaments de la ciència de la informació quàntica i en la transformació de la comunicació segura i la computació’. El Premi A. M. Turing de l’ACM és considerat com el Nobel de la Informàtica, amb una dotació d’un milió de US$ fornida per Google, Inc. L’epònim és Alan Mathison Turing (1912-1954), considerat el pare de la matemàtica de la computació.
Charles H. Bennett
Charles H. Bennett (*NYC, 1943) es va graduar en química a la Brandeis University (1964). Es doctorà en el 1970 a Harvard amb una tesi de simulació computacional del moviment molecular, supervisada per David Turnbull (1915-2007) i Berni Alder (1925-2020). A Harvard també treballà amb James D. Watson (1928-2025) sobre el codi genètic, feina que continuà a l’Argonne National Laboratory en l’equip d’Aneesur Rahman (1927-1987). En el 1972 ingressà a la IBM Research, on treballà en el desenvolupament teòric d’un aparell reversible en termes de lògica i de termodinàmica capaç de computacions generals. Conclogué que la incapacitat de tal aparell, a l’estil del dimoni de Maxwell, de trencar la segona llei de la termodinàmica s’havia de trobar en el cost termodinàmic de destruir informació (Bennett, 1982). Encara avui treballa a IBM Research en la termodinàmica i mecànica quàntica de la criptografia i la teoria de la informació.
Gilles Brassard
Gilles Brassard (*Montréal, 20.4.1955) es va graduar a la Université de Montréal, on també realitzà un mestratge. Es va doctorar en ciència computacional en el 1979 a la Cornell University amb una tesi sobre criptografia supervisada per John Hopcroft (*7.10.1939). Llavors tornà a la Université de Montréal on desenvolupà la seva carrera docent i de recerca.
La informàtica quàntica
Bennett i Brassard són considerats fundadors de la ciència de la informació quàntica. Aquesta disciplina, a cavall de la física i de la ciència computacional, tracta els fenòmens de la mecànica quàntica com a recursos en el processament i transmissió d’informació.
Fou en el 1984 quan Bennett i Brassard presentaren un protocol de criptografia quàntica (Bennett & Brassard, 1984). Aquest protocol es coneix actualment amb les sigles dels autors i de l’any com a BB84, i és considerat el primer protocol pràctic de criptografia basada en la mecànica quàntica. En la comunicació a la Conferència Internacional de Computadors, Sistemes i Processament de Senyal de Bangalore del desembre del 1984, Bennett & Brassard mostraven que dues parts podien establir una clau d’encriptació secreta amb una seguretat garantida per les lleis de la física. Aquesta garantia implicava que un tercer agent, malgrat que fos dotat amb un poder computacional il·limitat a través d’un ordinador quàntica, no podria descobrir-la.
L’encriptació per sistemes informàtics té uns antecedents teòrics ben antics. Claude Shannon (1916-2001) mostrà en el 1949 que el secret perfecte en les comunicacions entre dos parts és tan sols possible si comparteixen prèviament una clau secreta que sigui, si més no, tan llarga com el propi missatge que ha de protegir. Hom anomena aquest sistema de xifratge ‘clau simètrica’, ja que emissor i receptor comparteixen la mateixa clau: la transmissió d’aquesta clau per un canal segur resulta problemàtica. Una alternativa és l’anomenada criptografia asimètrica o de clau pública, en la que s’empren un parell de claus, una pública i una privada. En aquest cas, les claus públiques són les que es disseminen sense problemes, i és a través d’un algoritme que es calcula a partir d’elles les claus privades. Els algoritmes poden basar-se en problemes matemàtics difícils de resoldre, com ara la descomposició factorial de nombres naturals molt elevats.
Els algoritmes utilitzats en l’encriptació poden resultar inassequibles per als ordinadors convencionals sofisticats, però la computació quàntica podia fer-los front si assolia una potència adequada. Fou aquesta amenaça, que en el 1984 era purament imaginària, la que empenyé el disseny de BB84. El sistema d’encriptació BB84 assoleix una seguretat en el marc de la teoria de la informació independent d’assumir tal o tal nivell de capacitat computacional. BB84, en efecte, recorre a una propietat fonamental de la informació quàntica, la de no poder ésser copiada o mesurada sense pertorbació.
El primer computador quàntic fou desenvolupat en el 1998. Des de llavors hi ha hagut una progressió cap a computadors quàntics de major escala, de forma que l’amenaça sobre els sistemes criptogràfics convencionals de clau pública s’ha tornat més palpable. Val a dir que, paral·lelament la criptografia quàntica també ha avançat en aquestes quatre dècades, i algunes variants de BB84 ja s’utilitzen en xarxes operatives de computació quàntica, tant a través de fibra òptica com per satèl·lit. També ho ha fet el desenvolupament de sistemes clàssics de criptografia resistents a computadores quàntiques.
La teleportació quàntica
Bennett et al. (1993) mostraren com un estat quàntic desconegut ‖φ〉es pot desensemblar en informació purament clàssica i correlacions EPR purament no-clàssiques, i més endavant reconstruir-lo a partir d’elles. Emissor i receptor han de disposar prèviament la compartició d’un parell de partícules correlacionades en EPR. L’emissor fa una mesura conjunta de la seva partícula EPR i del sistema quàntica desconegut, i tramet al receptor el resultat clàssic d’aquesta mesura. En saber-ho, l’emissor pot convertir l’estat de la seva partícula EPR en una rèplica exacta de l’estat ‖φ〉que el receptor havia destruït. Per horror d’EPR (acrònim d’Einstein-Podolsky-Rosen) som davant d’un sistema de teleportació quàntica. La correlació EPR és un entrellaçament quàntic, és a dir un comportament correlacionat entre partícules distants.
Bennett et al. (1996) abordaren el problema pràctic de protegir els estats quàntics de la interacció amb l’ambient amb un protocol de purificació o destil·lació d’entrellaçament (EPP). Aquest EPP és capaç d’enfortir un entrellaçament imperfecte fins a fer-lo d’alta qualitat, factor necessari en una comunicació quàntica escalable.
L’enginyeria quàntica ja ha dut a la pràctica les idees teòriques de la teleportació, la destil·lació d’entrellaçament o el codis de correcció d’errors quàntics. Es treballa activament en el disseny de computadors quàntics tolerants a fallades, en nous algoritmes quàntics o en sistemes de comunicació quàntica de llarga distància (repetidors quàntics).
Lligams:
- The thermodynamics of computation—a review. Charles H. Bennett. International Journal of Theoretical Physics 21: 905-940 (1982).
- Quantum Cryptography, or Unforgeable Subway Tokens. Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Seth Breidbart & Stephen Wiesner. Advances in Cryptology (1982).
- Quantum Cryptography II: How to re-use a one-time pad safely even if P=NP. Charles H. Bennett, Gilles Brassard & Seth Breidbart. 15th Annual ACM Symposium on Theory of Computing (1982).
- Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing Charles H. Bennett, Gilles Brassard. Proceedings of the International Conference on Computers, Systems & Signal Processing, Bangalore, India, pp. 175-179 (1984).
- Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels. Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jozsa, Asher Peres, and William K. Wootters. Phys. Rev. Lett. 70: 1895 (1993).
- Mixed State Entanglement and Quantum Error Correction. Charles H. Bennett, David P. DiVincenzo, John A. Smolin, William K. Wootters. Phys. Rev. A 54: 3824 (1996)
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada