Hace más de una década, el físico chino Pan Jian-Wei regresó a su hogar desde Europa para ayudar a supervisar la investigación de algunas de las tecnologías más importantes del siglo XXI.
Jeanne Whalen*
Jeanne Whalen*
Hace más de una década, el físico chino Pan Jian-Wei regresó a su hogar desde Europa para ayudar a supervisar la investigación de algunas de las tecnologías más importantes del siglo XXI.
En una conferencia en Shangai este verano, Pan y su equipo ofrecieron un vistazo al trabajo realizado que describió como una "revolución".
Hablaron de las redes de comunicaciones resistentes a la piratería que están construyendo en China, los sensores que están diseñando para ver a través del smog y en las esquinas, y las computadoras prototipo que algún día pueden destruir la potencia computacional de cualquier máquina existente.
Todo el equipo está basado en tecnología cuántica, un campo emergente que podría transformar el procesamiento de la información y conferir grandes ventajas económicas y de seguridad nacional a los países que lo dominan. Para consternación de algunos científicos y funcionarios en los Estados Unidos, la formidable inversión de China está ayudando a ponerse al día con la investigación occidental en el campo y, en algunas áreas, avanzar.
Beijing está invirtiendo miles de millones en investigación y desarrollo y está ofreciendo grandes ventajas a los científicos chinos para que regresen a sus hogares de los laboratorios occidentales. El impulso de China ha provocado llamamientos para obtener más fondos de investigación y desarrollo en los Estados Unidos, y ayudó a generar preocupaciones en la administración Trump de que algunos tipos de colaboración científica con China podrían estar ayudando al Ejército de Liberación del Pueblo y perjudicando los intereses de Estados Unidos.
"Estados Unidos debe estar preparado para un futuro en el que su predominio tecnológico tradicional enfrenta desafíos nuevos, tal vez sin precedentes", escribió el Centro para una Nueva Seguridad Estadounidense en un informe reciente sobre las ambiciones cuánticas de China.
La tecnología cuántica busca aprovechar las distintas propiedades de los átomos, fotones y electrones para construir herramientas más potentes para procesar la información.
El año pasado, China tenía casi el doble de solicitudes de patentes que los Estados Unidos para la tecnología cuántica en general, una categoría que incluye dispositivos de comunicaciones y criptología, según la firma de investigación de mercado Patinformatics . Sin embargo, Estados Unidos lidera el mundo en patentes relacionadas con el segmento más preciado del campo, las computadoras cuánticas, gracias a la fuerte inversión de IBM, Google, Microsoft y otros.
Pan ayuda a supervisar el programa de China, a quien los medios chinos llaman el "padre de la cuántica". Desde sus laboratorios en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), en Shanghai y Hefei, el hombre de 49 años lidera un equipo de 130 investigadores. En 2017, la revista Nature lo nombró una de las "diez personas más importantes del año", y dijo que había "prendido fuego bajo los esfuerzos del país en tecnología cuántica".
Pan ocasionalmente realiza visitas al presidente Xi Jinping, quien se interesa mucho por su trabajo, según los medios chinos. Pan también está supervisando los planes para un nuevo laboratorio nacional para la investigación cuántica en la provincia de Anhui, que según él había recaudado alrededor de $ 400 millones en fondos del gobierno.
En el evento de Shanghái, Pan ilustró su presentación de diapositivas con chistes sobre Einstein y "StarTrek". En un guiño al gato de Schrödinger, un experimento mental de la década de 1930 que ayudó a definir un concepto cuántico llamado superposición, Pan utilizó imágenes de un felino de dibujos animados de pie y acostado boca arriba.
"Como todos sabemos, en nuestra vida cotidiana, un gato solo puede estar vivo o muerto", dijo Pan, pero "un gato en el mundo cuántico puede estar en una superposición coherente de estados vivos y muertos".
Estaba señalando que las partículas cuánticas, también conocidas como bits cuánticos, difieren fundamentalmente de los bits en la tecnología actual. Las computadoras y redes de comunicaciones existentes almacenan, procesan y transmiten información descomponiéndola en largos flujos de bits, que generalmente son pulsos eléctricos u ópticos que representan un cero o uno.
Los bits cuánticos , o qubits, que a menudo son átomos, electrones o fotones, pueden existir como ceros y unos al mismo tiempo, o en cualquier posición intermedia, una flexibilidad que les permite procesar información de nuevas maneras . Algunos físicos los comparan con una moneda giratoria que está simultáneamente en un estado de cara y cruz.
En su charla, Pan detalló cómo China está aprovechando los qubits para proteger sus comunicaciones del pirateo, uno de los campos en los que China parece tener una ventaja sobre Occidente.
Pan y su equipo apuntan a lanzar una constelación de satélites y una red de fibra óptica a nivel nacional que utiliza qubits para transmitir información de forma segura. Un enlace de fibra de casi 1.300 millas que conecta Beijing, Shanghai y otras ciudades ya está en funcionamiento. Así es un satélite que China lanzó en 2016, que ha llevado a cabo varios experimentos importantes , incluida la facilitación de una videoconferencia resistente a la piratería entre Beijing y Viena.
Cuando la red esté completa, podría complicar los esfuerzos de Estados Unidos para espiar las comunicaciones gubernamentales o militares de China, dicen algunos científicos occidentales.
"Predigo que China se volverá inaccesible en dos o tres años, no podremos leer nada", dijo Jonathan Dowling, profesor de física en la Universidad Estatal de Louisiana, que pasa parte del año como miembro visitante de la facultad en la USTC en Shanghai. .
Otros argumentan que incluso si el equipo de red de China es más seguro, aún podría ser pirateado manipulando a los humanos que ejecutan el sistema.
Si la tecnología gana terreno a nivel mundial, China podría estar en una posición sólida para venderla, dada la gran cantidad de patentes que sus universidades y compañías han registrado para dispositivos y tecnología relacionados con la comunicación cuántica y el cifrado, según Patinformatics.
Pan ha acreditado a Edward Snowden por motivar la investigación cuántica de China. Las revelaciones del ex contratista de la Agencia de Seguridad Nacional sobre las escuchas de la NSA llevaron a China a invertir dinero en desarrollar comunicaciones más seguras, dijo Pan en entrevistas publicadas.
Barry Sanders, físico canadiense de la Universidad de Calgary, pasa dos o tres meses al año como profesor visitante en los laboratorios de la USTC en Shanghai. Obtuvo el trabajo a través del programa "Mil talentos" de China, que recluta científicos occidentales para períodos de enseñanza e investigación, y ofrece incentivos para persuadir a los investigadores chinos de que regresen a sus países de origen.
Sanders dijo que las diferencias culturales de China pueden proporcionar ventajas en el laboratorio.
"Tengo mi manera occidental de hacer las cosas: libertad de pensamiento, asumir riesgos", dijo. En China, hay más énfasis en el bien común, dijo. “Un chico pasó dos años realmente concentrado en cómo preparar la sala de laboratorio. Puede asignar a las personas estas tareas: harán algo que en nuestro mundo se vería debajo de nosotros. Pero aquí son apoyados y tenidos en alta estima ".
Pan recibió su doctorado de la Universidad de Viena en 1999 y realizó investigaciones en la Universidad de Heidelberg antes de regresar a casa, junto con varios colegas chinos.
El trabajo de China en tecnologías cuánticas en ese momento era "relativamente atrasado" y necesitaba ayuda externa, dijo Pan en un correo electrónico. "Por lo tanto, nuestro equipo tomó la iniciativa de enviar estudiantes a los principales grupos de investigación en el extranjero para aprender tecnologías relacionadas", dijo. "Afortunadamente, más tarde volvieron a trabajar en China".
La mayoría de los investigadores chinos que hablaron en la conferencia de Shanghai pasaron años estudiando en el extranjero. Sus diapositivas estaban salpicadas de referencias humorísticas a la cultura y los eventos pop occidentales. Uno de ellos presentaba una imagen del presidente Trump con la leyenda "Make SPDC Great Again", una referencia a un proceso óptico mediante el cual un fotón se divide en dos. Durante un descanso para tomar café, el teléfono de un investigador chino estalló en un tono de llamada del programa de televisión "Friends".
Sus doctorados o credenciales posdoctorales provenían de universidades como Stanford, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge y la Universidad de Toronto, según sus biografías impresas en el programa.
Si bien sus conversaciones no se centraron en aplicaciones militares, gran parte de la tecnología que persiguen tendría usos claros tanto en el ámbito comercial como en el de defensa, dicen los científicos.
Las computadoras cuánticas algún día podrían descifrar todas las formas de cifrado existentes. Los sensores cuánticos podrían ayudar al ejército chino a rastrear y atacar a las tropas enemigas con mayor precisión. La universidad donde trabaja Pan, USTC, ha establecido varias asociaciones de investigación cuántica con compañías de defensa estatales en los últimos años, con objetivos que incluyen mejorar la capacidad de combate de los buques de guerra, según informes de medios chinos citados en el Centro para un Nuevo Papel de seguridad Estadounidense.
"Los avances nacionales de China en comunicaciones y computación cuánticas ... se aprovecharán para apoyar propósitos militares", según los autores del artículo, Elsa Kania y John Costello, quienes revisaron cientos de medios de comunicación en chino, informes gubernamentales y técnicos.
Los científicos que han discutido el campo con funcionarios del gobierno de EE. UU. dicen que la administración Trump ha expresado recientemente su preocupación por la cantidad de estudiantes chinos que realizan estudios en los Estados Unidos en áreas sensibles como la ciencia cuántica.
"Siempre hemos alentado a los mejores y más brillantes que vienen del extranjero, y siempre ha servido bien a nuestra nación", dijo John Preskill, profesor de física teórica Richard P. Feynman en el Instituto de Tecnología de California, que ha asesorado al gobierno sobre problemas de tecnología cuántica. "Pero existe preocupación en el gobierno sobre cómo estamos capacitando a todas estas personas, y muchas de ellas están volviendo a China y compitiendo en tecnologías que tienen implicaciones para la seguridad nacional". Y estamos hablando de qué hacer al respecto.
"Muchos de nosotros en la academia, aunque sabemos que hay problemas complicados, estamos inclinados a seguir alentando a los estudiantes chinos a venir", dijo Preskill, "pero hay una discusión continua en el gobierno sobre cuál es la mejor política para hacer eso".
En un artículo de opinión este mes , dos asociaciones universitarias de EE. UU. dijeron que sus miembros estaban fortaleciendo los protocolos de seguridad y construyendo relaciones más cercanas con el FBI y las agencias de inteligencia, después de escuchar una "creciente preocupación" del gobierno federal sobre la "interferencia extranjera" en la investigación universitaria. También elogiaron las contribuciones de los estudiantes y profesores chinos, y dijeron que Estados Unidos debe continuar dándoles la bienvenida.
Pan dijo que creía que la colaboración solo traería recompensas en la ciencia cuántica.
"El intercambio académico beneficia a ambos países", dijo por correo electrónico. “No veo ninguna razón para que el gobierno de los Estados Unidos deba preocuparse y desalentar las actividades académicas normales. Recordemos que la mecánica cuántica se desarrolló por primera vez en Europa y luego se mudó a los Estados Unidos ".
Cuando se le preguntó si su grupo contribuye a la investigación para el ejército chino, Pan dijo que su universidad y su equipo son "por naturaleza, para la investigación científica fundamental y la educación".
“Publicamos nuestros resultados fundamentales de investigación en revistas internacionales que están disponibles para leer en todo el mundo. Al leer nuestros documentos, otras personas, que pueden ser de Estados Unidos, Europa, Japón o China, podrían inspirarse y desarrollar aún más tecnología o productos 'inmediatamente útiles' para uso industrial o comercial o militar”, dijo, y agregó que esto estaba "fuera de nuestro control".
Algunos sectores del gobierno de los Estados Unidos están restringiendo la colaboración con China . En junio, el Departamento de Energía, una de las principales agencias que financia la investigación de física y ciencia cuántica, prohibió a sus empleados y contratistas responder a los programas de reclutamiento de talentos de ciertos países extranjeros, incluidos los Mil talentos de China. La agencia dijo que quería limitar "las transferencias no autorizadas de información científica y técnica".
La prohibición siguió a la acusación de un ex científico del Laboratorio Nacional de Los Alamos del Departamento de Energía, acusado de hacer declaraciones falsas sobre su participación en ThousandTalents.
“Lo que hemos dicho brevemente es que no puede trabajar para el Departamento de Energía y para uno de estos programas de reclutamiento de talentos extranjeros. No se puede trabajar para un país extranjero y el Departamento de Energía al mismo tiempo", dijo Chris Fall, director de la Oficina de Ciencia de la agencia, en una entrevista.
En parte motivado por el progreso de China, el Congreso a fines del año pasado aprobó la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional , que autorizó un extra de $ 1.2 mil millones en fondos de investigación durante cinco años. El Departamento de Energía está disponible para recibir una gran parte de ese dinero, que planea usar para establecer varios centros de investigación centrados en lo cuántico. La agencia está solicitando ideas de sus propios laboratorios nacionales y de las universidades y el sector privado mientras decide cómo establecer esos centros, dijo Fall.
"La belleza de cómo hacemos ciencia en este país es que no es de arriba hacia abajo", dijo.
Por ahora, China está rezagada con respecto a la industria tecnológica de Estados Unidos en quizás la carrera más importante en el campo: construir una computadora cuántica.
Una computadora cuántica en pleno funcionamiento tiene el potencial de ser transformadora. El poder de cálculo exponencialmente mayor podría ayudar a identificar nuevos compuestos químicos para tratar enfermedades intratables y eliminar atascos de tráfico al predecir y administrar el flujo de vehículos.
Sin embargo, la posibilidad de que las máquinas eventualmente puedan descifrar todas las formas de cifrado existentes es una preocupación importante para los militares, los gobiernos y las empresas que manejan datos confidenciales.
Para obtener una computadora que funcione completamente, una meta aún a una década o más de distancia, la mayoría de los científicos están de acuerdo, los investigadores deben convencer a un gran número de qubits para que trabajen juntos de manera eficiente. Eso es difícil porque los qubits son quisquillosos y tienen la propensión a dejar de funcionar a la menor perturbación, como un cambio menor en la temperatura.
Google e IBM están a la vanguardia, utilizando circuitos superconductores para manipular qubits. Google presentó el año pasado un procesador cuántico con 72 qubits , superando la computadora de 50 qubit anunciada anteriormente por IBM .
Más importante que la cantidad de qubits es la eficacia con la que trabajan juntos, dijo Chris Monroe, físico de la Universidad de Maryland y cofundador de la nueva empresa IonQ . La compañía informó recientemente que su computadora prototipo, utilizando 11 qubits hechos de átomos ionizados, realizó cálculos más complejos con mayor precisión que cualquier máquina rival. (Los inversores de IonQ incluyen AWS, una subsidiaria de Amazon, cuyo fundador, Jeff Bezos, es dueño de The Washington Post).
Los investigadores chinos hasta ahora han informado de un procesador de 12 qubits, utilizando tecnología superconductora similar a la de Google e IBM.
El líder de ese trabajo, el profesor de la USTC ZhuXiaobo, presentó los resultados de su equipo en la conferencia de Shanghai, mostrando una imagen de su prototipo en la pantalla: una maraña brillante de cables coaxiales que se asemeja a una intrincada lámpara de araña dorada. (Las máquinas de IBM y Google tienen un aspecto similar).
"Ahora estamos trabajando en 24 qubits", dijo Zhu. "Esperamos que el próximo año lleguemos a 50, y tal vez en algún momento iremos a la supremacía cuántica", agregó, refiriéndose al punto en que una computadora cuántica es capaz de realizar un cálculo que las computadoras existentes no pueden. El punto de referencia, aunque ampliamente anticipado, marcará solo el comienzo del progreso en el campo, dicen los científicos.
Lu Chaoyang, un joven físico que obtuvo su doctorado en la Universidad de Cambridge, también se acercó al atril para ofrecer una actualización sobre el enfoque de su equipo para la computación cuántica. Se basa en fotones, que denominó "qubits de vuelo rápido".
Lu, a quien Sanders llama una "superestrella en ascenso" en China, salpicó su charla con divertidos GIF de gatos y referencias culturales occidentales.
Aunque la idea de una computadora cuántica surgió por primera vez hace 40 años, todavía queda un largo camino por recorrer, dijo Lu.
Luego presionó play en un breve fragmento de video del autor de "Harry Potter" JK Rowling, quien habló sobre la importancia de establecer "objetivos alcanzables".
"Es importante que establezcamos objetivos alcanzables para los experimentos para que podamos progresar continuamente", dijo Lu.