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El hombre que está convirtiendo a China en una superpotencia cuántica
Jian-Wei Pan, el padre de la tecnología cuántica en China, está dirigiendo su impulso por el liderazgo global en tecnologías que podrían cambiar industrias enteras. 19 de diciembre de 2018
Fotografía de Jian-Wei Pan Noé Sheldon
El 29 de septiembre de 2017, un satélite chino conocido como Micius hizo posible una videoconferencia inviolable entre Viena y Beijing, dos ciudades separadas por medio mundo. Mientras surcaba el cielo nocturno a 29.000 kilómetros (18.000 millas) por hora, el satélite transmitía un pequeño paquete de datos a una estación terrestre en Xinglong, a un par de horas en automóvil al noreste de Beijing. Menos de una hora después, el satélite pasó sobre Austria y envió otro paquete de datos a una estación cerca de la ciudad de Graz.
Los paquetes eran claves de cifrado para asegurar las transmisiones de datos. Lo que hizo que este evento fuera tan especial fue que las claves distribuidas por el satélite estaban codificadas en fotones en un delicado estado cuántico. Cualquier intento de interceptarlos habría colapsado ese estado, destruyendo la información y señalando la presencia de un hacker. Esto significa que eran mucho más seguras que las claves enviadas como bits clásicos: una corriente de pulsos eléctricos u ópticos que representan 1 arena 0 s que se pueden leer y copiar.
Esta historia fue parte de nuestra edición de enero de 2019
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El cifrado del video era convencional, no cuántico, pero debido a que se requerían claves cuánticas para descifrarlo, su seguridad estaba garantizada. Esto lo convirtió en el primer enlace de video intercontinental cifrado cuánticamente del mundo.
El hombre detrás de este logro es Jian-Wei Pan. Profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), a veces conocida como Caltech de China, Pan, de 48 años, ha producido una serie de avances que lo han impulsado al estrellato científico en el país. Su trabajo ha ganado elogios del presidente Xi Jinping, y los medios locales a menudo se refieren a él como el padre de la cuántica.
Las comunicaciones y la computación cuánticas aún son incipientes, pero se encuentran entre los megaproyectos tecnológicos en los que el gobierno de China quiere avances para 2030. Ve la oportunidad de liderar la era cuántica naciente de la misma manera que EE. UU. dominó el advenimiento de la computación y la información. revolución que provocó.
Pan, quien en 2011 se convirtió en el miembro más joven de la Academia de Ciencias de China, es central en este esfuerzo.
En una entrevista con MIT Technology Review, Pan habló sobre la importancia de la colaboración internacional, pero también dejó en claro que China ve una ventana única para dar forma al próximo metacambio en el panorama tecnológico. Solo éramos los seguidores y los aprendices en el nacimiento de la ciencia de la información moderna, dijo. Ahora tenemos la oportunidad... de ser un líder.
Las ambiciones de Pan incluyen un plan para crear una constelación mundial de satélites que constituyan una Internet cuántica supersegura. También en su lista de verificación: ayudar a China a alcanzar, y quizás superar, a los EE. UU. en la construcción de poderosas computadoras cuánticas. Las unidades fundamentales de computación en estas máquinas son los qubits, que, a diferencia de los bits, pueden ocupar un estado cuántico de 1 y 0 simultaneamente. Al vincular qubits a través de un fenómeno casi místico conocido como entrelazamiento, las computadoras cuánticas pueden generar aumentos exponenciales en el poder de procesamiento.
En el futuro, las máquinas podrían usarse para descubrir nuevos materiales y medicamentos mediante la ejecución de simulaciones de reacciones químicas que son demasiado trabajo para las computadoras clásicas. También podrían impulsar la inteligencia artificial. Las redes seguras que utilizan la distribución de claves cuánticas (QKD) podrían transmitir datos confidenciales para cosas como transacciones financieras y proporcionar el máximo secreto para las operaciones y comunicaciones militares. Los investigadores también están trabajando en sensores cuánticos que permitirían a los submarinos navegar sin depender de las señales de los satélites, y un radar cuántico que podría detectar aviones furtivos.
La imagen del receptor muestra un láser de detección utilizado para ayudar al satélite a conectarse a la estación terrestre.
Esfuerzos conjuntos
A pesar de la intensa competencia entre Estados Unidos y China en tecnologías cuánticas, la videollamada que hizo posible el satélite Micius, llamado así por un antiguo científico y filósofo chino, es en gran medida el resultado de la cooperación internacional.
Surgió de una colaboración entre un equipo dirigido por Pan y otro dirigido por Anton Zeilinger, físico cuántico de la Academia de Ciencias de Austria. Zeilinger fue el supervisor de doctorado de Pan en la década de 1990 y vio potencial en el joven estudiante chino. Cuando llegó aquí, estaba cien por ciento concentrado en la física teórica, recuerda Zeilinger. Pero me di cuenta de que podía hacer más, así que le sugerí que cambiara a experimentos, y lo hizo con mucho éxito.
Tan exitoso, de hecho, que Zeilinger estaba muy feliz cuando su antiguo alumno propuso una colaboración en QKD intercontinental en 2011. El equipo de Pan ya había realizado experimentos durante varios años para demostrar que un sistema basado en el espacio podría funcionar, y finalmente consiguió luz verde del gobierno chino para construir un satélite dedicado, que se lanzó en 2016.
Hacer que QKD funcione sobre el terreno ya es bastante difícil. Hacerlo desde un satélite significó resolver una serie de problemas adicionales, desde alinear las transmisiones del satélite con precisión con las estaciones terrestres hasta minimizar la cantidad de fotones perdidos en la atmósfera. Los observadores quedaron impresionados, dice Hoi-Kwong Lo, profesor de física en la Universidad de Toronto. Agrega: Hay una gran cantidad de recursos que se dedican a la tecnología cuántica en China, lo que significa que pueden hacer cosas que otros países no pueden.
Pan prevé un día en que los centros de datos en diferentes continentes estarán conectados a través de los satélites cuánticos que está planeando.
Los otros logros de China incluyen la construcción de la red QKD terrestre más larga del mundo. El enlace terrestre de 2.032 kilómetros (1.263 millas) entre Beijing y Shanghái también fue ideado por Pan y envía claves encriptadas cuánticas entre estaciones de paso, ofreciendo una red ultra segura para transmitir datos financieros y otros datos confidenciales. Algunas ciudades chinas también están construyendo redes municipales.
Calcular exactamente cuánto está invirtiendo China en estos y otros proyectos cuánticos es difícil porque la financiación de los programas gubernamentales es opaca. Pero Pan dice que el dinero dedicado a un próximo plan cuántico nacional para China será al menos del mismo orden de magnitud que el proyecto insignia de Quantum Technologies lanzado recientemente en Europa, una iniciativa de 10 años y 1.000 millones de euros (1.100 millones de dólares).
Si bien el dinero importa, hay más en el éxito de China que la financiación de satélites y otros proyectos. El país también se beneficia de una estrategia de décadas de enviar investigadores jóvenes al extranjero para aprender de expertos como Zeilinger y luego atraerlos a casa para continuar con su trabajo.
China está produciendo muchos artículos de ciencia cuántica de alta calidad, y la cantidad de patentes chinas registradas en áreas como las comunicaciones cuánticas y la criptografía cuántica también se ha disparado, superando con creces las registradas en los EE. UU. y en otros lugares.
Para ayudar a desarrollar futuros investigadores cuánticos, el país está construyendo un Laboratorio Nacional de Ciencias de la Información Cuántica de mil millones de dólares en Hefei que se inaugurará en 2020; reunirá a expertos de una variedad de disciplinas como la física, la ingeniería eléctrica y la ciencia de los materiales. Parte del dinero será para un nuevo campus de la USTC en el mismo sitio para capacitar a investigadores cuánticos. Estamos trabajando arduamente para desarrollar la fuerza laboral del futuro en tecnología cuántica, dice Pan.
Ya ha creado un centro de información cuántica y física cuántica en la USTC. En junio de 2018, un equipo del centro anunció que había establecido un récord mundial de entrelazamiento de qubits, uniendo 18. Avances como este nos acercarán al punto en el que una máquina cuántica finalmente podrá superar incluso a la supercomputadora convencional más poderosa para ciertas tareas.
También hay planes ambiciosos para ampliar los esfuerzos en el espacio. Pan dice que durante los próximos cuatro o cinco años, China lanzará cuatro satélites cuánticos de órbita baja más, y poco después seguirá uno geoestacionario de órbita alta. La visión a largo plazo es crear una Internet con seguridad cuántica que abarque un continente que podría eclipsar la versión actual. Mirando mucho más adelante, la tecnología podría usarse algún día para asegurar todo, desde teléfonos inteligentes hasta computadoras portátiles.
Jian-Wei Pan, de pie frente a un receptor utilizado en la transmisión de señales ultraseguras del satélite Micius, ha ayudado a liderar los esfuerzos cuánticos de China.
Líder y rezagado
Entonces, ¿China realmente está lista para dominar la era cuántica emergente? ¿Y qué hará con ese dominio si es así?
La respuesta a la primera de esas preguntas tiene matices. Si bien Micius y las redes QKD basadas en tierra le dan a China la ventaja, por ahora, en comunicaciones cuánticas seguras, todavía está detrás de EE. UU. en computación cuántica. Sin embargo, como muestra el éxito del equipo de Pan con los qubits entrelazados, está progresando rápidamente. Las grandes empresas tecnológicas chinas como Alibaba y Baidu también están invirtiendo fuertemente en computación cuántica. Alibaba ha lanzado un servicio de computación en la nube que permite a las personas experimentar con procesadores cuánticos, lo que refleja esfuerzos similares de empresas estadounidenses como IBM y Rigetti.
Isaac Chuang, profesor del MIT y pionero de la computación cuántica, señala que una de las razones por las que a China le ha ido tan bien en la ciencia cuántica es la estrecha coordinación entre sus grupos de investigación gubernamentales, la Academia de Ciencias de China y las universidades del país. Europa ahora tiene su propio plan maestro cuántico para impulsar tales colaboraciones, pero EE. UU. ha tardado en producir una estrategia integral para desarrollar las tecnologías y construir una futura fuerza laboral cuántica.
Pase lo que pase en otros lugares, China seguirá adelante. Pan enfatiza las oportunidades comerciales. Las empresas ya están utilizando la red Beijing-Shanghai para enviar información de forma segura. Y prevé un día en que los centros de datos en diferentes continentes estarán conectados a través de la constelación de satélites cuánticos que está planeando.
Esos satélites, por supuesto, también podrían utilizarse con fines militares. Elsa Kania del Center for a New American Security, un grupo de expertos de Washington, DC, dice que varias partes de las fuerzas armadas de China están financiando investigaciones sobre comunicaciones cuánticas, sensores y radares. Grandes empresas como China Shipbuilding Industry Corporation, uno de los mayores constructores de buques de guerra y submarinos del país, están trabajando con universidades en proyectos cuánticos. Si China cree que la tecnología podría darle una ventaja militar, podría retirarse de las colaboraciones internacionales y guardarse las innovaciones para sí misma.
Una visión más optimista ve a China permaneciendo abierta a los tipos de intercambios que han ayudado a convertirla en una superpotencia cuántica, y haciendo todo lo posible para beneficiarse de una nueva economía de datos inspirada en la cuántica. La idea de que China podría tomar la delantera aquí parece inspirar a sus altos funcionarios: Xi Jinping incluso ha hablado públicamente de que la ciencia cuántica abre una nueva revolución industrial.
Cualquiera que sea el escenario que finalmente se desarrolle, China contará en gran medida con el padre de la tecnología cuántica para conducirla hacia el éxito.
Corrección: una versión anterior de este artículo decía que Anton Zeilinger es un físico cuántico de la Universidad de Austria. De hecho, está en la Academia de Ciencias de Austria.