Física. / MIT

Peter Shor, profesor Morss de Matemáticas Aplicadas en el MIT, ha sido nombrado ganador del Premio Breakthrough 2023 en Física Fundamental. Comparte el premio de $ 3 millones con otros tres por "trabajo fundamental en el campo de la información cuántica": David Deutsch en la Universidad de Oxford, Charles Bennett en IBM Research y Gilles Brassard de la Universidad de Montreal.

Al anunciar el premio, la Breakthrough Prize Foundation destacó las contribuciones de Shor al campo de la información cuántica, incluido el algoritmo homónimo de Shor para factorizar números extremadamente grandes y un algoritmo para corregir errores en las computadoras cuánticas.

“Estas ideas no solo allanaron el camino para las computadoras cuánticas de rápido desarrollo de la actualidad; ahora también están en las fronteras de la física fundamental, especialmente en el estudio de la metrología, la ciencia de la medición, y de la gravedad cuántica”, se lee en el anuncio del premio.

“Estoy muy agradecido de que este año el premio sea para la información cuántica y la teoría de la computación cuántica”, comentó Shor a MIT News . “Mis tres co-ganadores fueron las personas más influyentes en la fundación de este campo. Los considero amigos, y claramente todos se lo merecen”.

Además, un ex alumno del MIT, Daniel A. Spielman PhD ´95, ganó el Premio Breakthrough en Matemáticas 2023 por "contribuciones a la informática y las matemáticas teóricas, incluida la teoría de gráficos espectrales, el problema de Kadison-Singer, álgebra lineal numérica, optimización y la teoría de la codificación”.

“Estoy encantado de ver que Peter Shor y Dan Spielman sean reconocidos con los Premios Breakthrough en Física Fundamental y Matemáticas, respectivamente”, dice Michel Goemans, profesor de RSA y director del Departamento de Matemáticas del MIT. “Ambos habrían sido nominados naturales del Premio Breakthrough en Informática Teórica, si existiera tal premio. Peter y Dan son graduados de doctorado de nuestro departamento de matemáticas, ambos han ocupado cargos permanentes en nuestro departamento y han sido miembros del grupo de teoría en CSAIL, y ambos han recibido los mismos premios. Es un testimonio de la importancia de la informática teórica en todas las disciplinas, en particular las matemáticas y la física”.

Semillas cuánticas

Las primeras semillas del potencial de la computación cuántica se plantaron a través de los primeros algoritmos derivados de Deutsch, Bennett, Brassard y Shor.  

A principios de la década de 1980, Deutsch comenzó a pensar en problemas cuyas soluciones podrían acelerarse utilizando algoritmos cuánticos, fórmulas que se derivaban utilizando las leyes de la mecánica cuántica, en lugar de la física clásica. Fue el primero en desarrollar un algoritmo cuántico que podía resolver un problema simple, aunque artificial, de manera mucho más eficiente que un algoritmo clásico.

Mientras tanto, Bennett y Brassard también buscaban usos de la información cuántica. En 1984, desarrollaron el primer protocolo de criptografía cuántica, BB84. Propusieron la idea de que dos partes distantes podrían ponerse de acuerdo sobre una clave de cifrado secreta, que sería segura contra los espías, basándose en un extraño principio cuántico en el que el valor de la clave de cifrado se alteraría instantáneamente y, por lo tanto, sería ilegible cuando se midiera.

Su trabajo demostró la primera aplicación práctica de la teoría de la información cuántica. También fue la primera introducción de Shor al campo. El matemático trabajaba en AT&T Bell Labs en ese momento, y Bennett vino a dar una charla sobre su nuevo sistema de encriptación de clave cuántica. “Su trabajo me inspiró a pensar e investigar un poco sobre la información cuántica”, recuerda Shor. “Pero realmente no llegué a ninguna parte en ese momento”.

Una década más tarde, en 1994, Shor presentó su propio algoritmo histórico. El algoritmo de Shor describe cómo una computadora cuántica lo suficientemente grande podría factorizar de manera eficiente números extremadamente grandes, una tarea que tomaría más que la edad del universo para que la supercomputadora clásica más poderosa la resuelva.

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La mayoría de los esquemas de cifrado de datos actuales se basan en la dificultad de la factorización para mantener la información segura. El algoritmo de Shor fue el primero en demostrar que, en teoría, un sistema cuántico podría atravesar la mayoría de los muros de seguridad de datos modernos. Sin embargo, hacer esto en la práctica requeriría un sistema de muchos bits cuánticos controlados con precisión. Incluso entonces, los científicos asumieron que el más mínimo ruido en el entorno perturbaría los delicados qubits y desencadenaría una serie de errores en sus cálculos que no podrían corregirse sin perturbar aún más los qubits.

“Cuando se me ocurrió por primera vez con este algoritmo de factorización, la gente pensó que seguiría siendo teórico para siempre porque existía el argumento de que no se podían corregir los errores en una computadora cuántica”, dice Shor.

Poco después, en 1995, Shor elaboró ​​otro algoritmo, esta vez sobre la corrección de errores cuánticos, que demostró que los errores en un sistema cuántico podían, de hecho, aislarse y corregirse sin alterar el qubit en sí, dejando intacta la computación cuántica. La visión de una computadora cuántica práctica se volvió tangible de inmediato.

"Con estas dos contribuciones explosivas, Peter sentó las bases para que la computación cuántica se convirtiera en el enorme campo que es ahora", dice Alan Guth, profesor de Física Victor F. Weisskopf en el MIT, quien como antiguo ganador del Premio Breakthrough, fue quien llamó a Shor para darle la noticia de la premiación de este año.

“Fue un verdadero placer para mí poder decirle que es uno de los ganadores”, dice Guth. “Sus algoritmos tomaron al mundo por sorpresa y encendieron el campo de la computación cuántica. Y a pesar de sus espectaculares contribuciones, Peter sigue siendo un colega cálido, amistoso y sonriente para todos los que lo rodean”.

“Peter es un colega maravilloso y es totalmente único”, agrega Goemans. “Su proceso de pensamiento parece ser paralelo a los algoritmos cuánticos que diseña e inventa: ¡De ideas enredadas y una superposición de estados, a menudo surge una solución brillante en un momento Eureka!”

"Una de las mejores cosas del MIT es que tenemos excelentes estudiantes", dice Shor, quien obtuvo un doctorado en matemáticas aplicadas del MIT en 1985. Luego pasó un año como posdoctorado en el Instituto de Investigación de Ciencias Matemáticas antes de comenzar a trabajar. en AT&T Bell Labs, donde desarrolló el algoritmo de Shor. En 2003, regresó al MIT, donde ha continuado con su investigación y enseñanza durante los últimos 20 años.

Hoy, está trabajando para formular una teoría de la información cuántica, que describiría cómo se pueden almacenar y transmitir los datos, utilizando los principios de la física cuántica. ¿Llegará un día en que las computadoras cuánticas sean lo suficientemente avanzadas como para atravesar nuestros sistemas de seguridad clásicos?

“En cinco o 10 años, podríamos estar al comienzo de la Ley de Moore, donde las computadoras cuánticas mejorarán constantemente cada pocos años”, predice Shor. “Sospecho que mejorarán lo suficientemente rápido como para que dentro de dos o tres décadas obtengamos computadoras cuánticas que puedan hacer cosas útiles. Con suerte, para cuando las computadoras cuánticas sean tan grandes, usaremos diferentes sistemas criptográficos que no sean susceptibles a las computadoras cuánticas".

Shor le da crédito a su padre por fomentar su temprano interés por las matemáticas. Cuando era niño, hojeaba los números de Scientific American de su padre para encontrar su sección favorita.

“Martin Gardner tenía una columna, juegos matemáticos, que era realmente increíble”, recuerda Shor. “A veces era un rompecabezas, a veces un informe sobre un nuevo descubrimiento en matemáticas, y a menudo estaba en un nivel que podía entender. Esperaba leerlo todos los meses, y eso fue algo que me llevó a las matemáticas desde el principio”.

Hermosos avances

Daniel Spielman, el ganador de este año del Premio Breakthrough en Matemáticas, recibió un doctorado en matemáticas aplicadas en el MIT en 1995, para lo cual fue asesorado por Michael Sipser, el Profesor Donner de Matemáticas y ex decano de la Escuela de Ciencias del MIT. Luego, Spielman se unió al departamento de matemáticas y estuvo en la facultad del MIT hasta 2005, antes de pasar a la Universidad de Yale, donde actualmente es el Profesor Sterling de Ciencias de la Computación, Matemáticas, Estadística y Ciencia de Datos.

Spielman se especializa en el diseño y análisis de algoritmos, muchos de los cuales han arrojado conocimientos "no solo para las matemáticas, sino también para problemas muy prácticos en computación, procesamiento de señales, ingeniería e incluso el diseño de ensayos clínicos", señala la Fundación Breakthrough en su anuncio de hoy.

“Dan ha realizado una serie de avances importantes y hermosos a lo largo de los años, desde códigos de corrección de errores basados ​​en expansores hasta el análisis suavizado de algoritmos o la dispersión espectral de gráficos, todos caracterizados por matemáticas innovadoras”, dice Goemans.

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Entre los numerosos descubrimientos, Spielman es mejor conocido por resolver el problema Kadison-Singer, que durante décadas se pensó que no tenía solución. Se puede interpretar que el problema plantea una pregunta fundamental para la física cuántica: en un sistema cuántico, ¿se puede descifrar nueva información si solo se observan o miden algunas de las propiedades del sistema? La respuesta, coincidieron la mayoría de los matemáticos, fue no.

Durante décadas, el problema de Kadison-Singer se reformuló y se demostró que era equivalente a problemas en una amplia gama de campos matemáticos. Y en 2013, Spielman y sus colegas resolvieron una de estas formulaciones equivalentes que involucraban álgebra lineal y matrices, demostrando que la respuesta era sí; de hecho, era posible determinar la suma de un sistema cuántico a partir de sus partes.

Los Premios Breakthrough son un conjunto de premios internacionales que reconocen los logros de los científicos en tres categorías: física fundamental, matemáticas y ciencias de la vida. Los premios fueron fundados por Sergey Brin; Priscilla Chan y Mark Zuckerberg; Julia y Yuri Milner; y Anne Wojcicki, y han sido patrocinados por fundaciones establecidas por ellos. Los premios de 2023 se entregarán en una ceremonia de entrega de premios y los ganadores de los premios participarán en conferencias y debates.

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MIT

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