Som milliarder av dollar strømmer inn kvanteberegning og land bygger kommunikasjonsnettverk sikret med kvantekrypteringden fremtredende kvanteinformasjonsvitenskap har blitt stadig vanskeligere å ignorere.
Årets gjennombruddspris i grunnleggende fysikk hedrer fire pionerer som kombinerte matematikk, informatikk og fysikk for å gjøre “grunnleggende arbeid innen kvanteinformasjon.” Prisen deles mellom Charles Bennett fra IBM, Gilles Brassard fra University of Montreal, David Deutsch fra University of Oxford og Peter Shor fra Massachusetts Institute of Technology.
“Disse fire personene bidro virkelig sterkt til fremveksten av kvanteinformasjonsteori,” sier Nicolas Gisin, en eksperimentell kvantefysiker ved Universitetet i Genève. “Det er hyggelig å se at disse premiene kommer nærmere hjertet mitt.”
Gjennombruddsprisene ble medstiftet av den israelsk-russiske milliardæren og fysikeren Yuri Milner i 2012, og de har blitt overdådig støttet av andre moguler, inkludert medgründerne Mark Zuckerberg og Sergey Brin. I likhet med Alfred Nobel, hvis Nobelpris-finansieringsformue oppsto fra hans oppfinnelse av dynamitt, har Milners tidligere økonomiske bånd til Kreml trukket gransking, spesielt i lys av Russlands pågående invasjon av Ukraina. I tidligere intervjuer har Milner lagt vekt på sin uavhengighet og donasjoner til ukrainske flyktninger. Det påpekte en talsperson Vitenskapelig amerikansk at Milner flyttet til USA i 2014 og ikke har returnert til Russland siden.
Men anerkjennelse for kvanteinformasjonsvitenskap har ikke alltid vært lett – eller med slik økonomisk støtte. Stort sett er feltet en kombinasjon av to teorier: kvantemekanikk, som beskriver den kontraintuitive oppførselen til den atomære og subatomære verdenen, og informasjonsteori, som beskriver de matematiske og fysiske grensene for beregning og kommunikasjon. Historien er en rotete historie, med sporadiske fremskritt som ofte ble oversett av konvensjonelle vitenskapelige tidsskrifter.
I 1968, Stephen Wiesner, den gang en doktorgradsstudent ved Columbia University, utviklet en ny måte å kode informasjon med polariserte fotoner på. Wiesner foreslo blant annet at den iboende skjøre naturen til kvantetilstander kunne brukes til å lage forfalskningsbestandige kvantepenger. Ute av stand til å publisere mange av sine berusende teoretiske ideer og tiltrukket av religion, sluttet Wiesner, som døde i fjor, stort sett akademia for å bli bygningsarbeider i Israel.
Før Wiesner forlot Columbia, ga han noen av ideene sine videre til en annen ung forsker. “En av kjærestene til romkameratene mine var Stephen Wiesner, som begynte å fortelle meg om “kvantepengene sine,” husker Bennett. “[It] falt meg som interessant, men det virket ikke som begynnelsen på et helt nytt felt.» På slutten av 1970-tallet møtte Bennett Brassard, og de to begynte å diskutere Wiesners penger, som de trodde kunne kreve den usannsynlige oppgaven å fange fotoner med speil for å lage en kvanteseddel.
“Bilder er ikke ment å bli – de er ment å reise,” sier Brassard og forklarer tankeprosessen. “Hvis de reiser, hva er mer naturlig enn å kommunisere?” Protokollen Bennett og Brassard foreslåttkalt BB84, ville lansere feltet kvantekryptografi. Senere detaljert og popularisert i Vitenskapelig amerikansk, BB84 tillot to parter å utveksle meldinger med største hemmelighold. Hvis en tredjepart snoket, ville de etterlate uutslettelige bevis på deres innblanding – som å skade en kvantevoksforsegling.
Mens Bennett og Brassard utviklet kvantekryptografi, begynte en annen radikal idé å dukke opp: kvantedatabehandling. På et nå kjent møte ved MIT Endicott House i Dedham, Mass., i mai 1981, kom fysikeren Richard Feynman foreslått at en datamaskin som bruker kvanteprinsipper kunne løse problemer som er umulige for en datamaskin bundet av lovene i klassisk fysikk. Selv om han ikke deltok på konferansen, hørte Deutsch om ideen og ble hekta. “Jeg ble gradvis mer og mer overbevist om sammenhengen mellom beregning og fysikk,” sier han.
Ved å chatte med Bennett senere samme år, opplevde Deutsch en avgjørende åpenbaring: da var den rådende beregningsteorien basert på feil fysikk – den “klassiske” mekanikken til Isaac Newton og den relativistiske tilnærmingen til Albert Einstein snarere enn den dypere kvantevirkeligheten. “Så jeg tenkte jeg skulle skrive om beregningsteorien, og basere den på kvanteteori i stedet for å basere den på klassisk teori,” sier Deutsch saklig. «Jeg hadde ikke forventet at det skulle komme noe fundamentalt nytt ut av det. Jeg forventet bare at det skulle være strengere.» Snart skjønte han imidlertid at han var det beskriver en helt annen type datamaskin. Selv om den oppnådde de samme resultatene, kom den dit med prinsipper for kvantemekanikk.
Deutschs nye teori ga en avgjørende kobling mellom kvantemekanikk og informasjonsteori. “Det gjorde kvantemekanikk tilgjengelig for meg på mitt informatikkspråk,” sier Umesh Vazirani, en dataforsker ved University of California, Berkeley. Senere, med den australske matematikeren Richard Josza, Deutsch foreslått, som et prinsippbevisden første algoritmen som ville være eksponentielt raskere enn klassiske algoritmer – selv om den ikke gjorde noe praktisk.
Men snart dukket det opp flere nyttige applikasjoner. I 1991 Artur Ekert, den gang en doktorgradsstudent ved Oxford, foreslått en ny kvantekryptografiprotokoll, E91. Teknikken fanget oppmerksomheten til mange fysikere på grunn av dens eleganse og praktiske egenskaper – samt det faktum at den ble publisert i et ledende fysikktidsskrift. «Det er en vakker idé. Det er litt overraskende at Ekert ikke er med på listen» over vinnere av årets gjennombruddspris for grunnleggende fysikk, sier Gisin.
To år senere, da Bennett, Brassard, Josza, informatikkforsker Claude Crépeau og fysikerne Asher Peres og William Wootters foreslo kvanteteleportering, var fysikere oppmerksomme. De ny teknikk ville gi en part muligheten til å overføre informasjon, for eksempel resultatet av en myntflipp, til en annen via sammenfiltring, kvantekorrelasjonen som kan koble sammen objekter som elektroner. Til tross for populære science-fiction-påstander, tillater ikke denne teknikken raskere enn lys-meldinger– men det har dramatisk utvidet mulighetene for kvantekommunikasjon i den virkelige verden. “Det er den mest oppsiktsvekkende ideen,” sier Chao-Yang Lu, en kvantefysiker ved University of Science and Technology i Kina, som har hjulpet med å implementere teknikken fra verdensrommet.
Ord som “revolusjon” blir overbrukt for å beskrive fremskritt i vitenskapen, som vanligvis er strevsom og inkrementell. Men i 1994 begynte Shor stille med en. Mens han jobbet ved AT&T Bell Laboratories, hadde han absorbert samtaler fra Vazirani og Bennett. “Jeg begynte å tenke på hvilke nyttige ting du kunne gjøre med en kvantedatamaskin,” sier han. «Jeg trodde det var et langskudd. Men det var et veldig interessant område. Så jeg begynte å jobbe med det. Jeg fortalte det egentlig ikke til noen.”
Inspirert av suksessen andre kvantealgoritmer hadde med oppgaver som var periodiske, eller gjentatte, utviklet Shor en algoritme som kunne dele tall inn i primfaktorene deres (for eksempel 21 = 7 x 3) eksponentielt raskere enn noen klassisk algoritme. Implikasjonene var umiddelbart åpenbare: prime-faktorisering var ryggraden i moderne kryptering. Endelig hadde kvantedatamaskiner en virkelig spillendrende praktisk applikasjon. Shors algoritme “gjorde det helt klart at du må droppe alt” for å jobbe med kvanteberegning, sier Vazirani.
Selv om Shor hadde funnet et kraftig bruksområde for en kvantedatamaskin, hadde han ikke løst det vanskeligere problemet med hvordan man bygger en – selv i teorien. De skjøre kvantetilstandene slike enheter kunne utnytte for å overgå klassisk databehandling gjorde dem også ekstremt sårbare for feil. Dessuten kunne feilrettingsstrategier for klassiske datamaskiner ikke brukes i kvantedatamaskiner. Uavskrekket, på en kvanteberegningskonferanse i Torino, Italia, i 1995, Shor bet andre forskere at en kvantedatamaskin ville faktorisere et 500-sifret tall før en klassisk datamaskin gjorde det. (Selv med dagens klassiske superdatamaskiner vil det sannsynligvis ta milliarder av år å faktorisere 500 sifre.) Ingen tok Shors innsats, og noen ba om et tredje alternativ: at solen ville brenne ut først.
To typer feil plager kvantedatamaskiner: bitfeil og fasefeil. Disse feilene er beslektet med å snu en kompassnål fra henholdsvis nord til sør eller øst til vest. Dessverre gjør korrigering av bitfeil fasefeil verre, og omvendt. Med andre ord, en mer presis peiling nord resulterer i en mindre nøyaktig peiling øst eller vest. Men senere i 1995 Shor fant ut hvordan kombinere bitkorreksjon og fasekorreksjon – en kjede av operasjoner som ikke er ulik å løse en Rubiks kube uten å endre en fullført side. Shors algoritme forblir ineffektiv inntil kvantedatamaskiner blir kraftigere (det høyeste tallet som er faktorisert med algoritmen er 21, så klassisk factoring forblir i ledelsen – foreløpig). Men det gjorde fortsatt kvanteberegning mulig, om ikke praktisk. “Det var da det hele ble virkelig,” sier Brassard.
Alt dette arbeidet førte til nye syn på kvantemekanikk og databehandling. For Deutsch inspirerte det en enda mer grunnleggende teori om “konstruktører” – som, sier han, beskriver “settet av alle fysiske transformasjoner.” Andre forblir agnostiske om sannsynligheten for ytterligere dyp innsikt som dukker opp fra kvanteriket. “Kvantemekanikk er veldig rart, og jeg tror aldri det kommer til å være noen enkel måte å forstå det på,” sier Shor. På spørsmål om hvorvidt arbeidet hans med kvanteberegning gjør virkelighetens natur lettere eller vanskeligere å forstå, sier han uvitende: “Det gjør det absolutt mer mystisk.”
Det som begynte som et tidsfordriv eller en eklektisk intellektuell streben, har nå vokst langt utover mange av de villeste fantasiene fra feltets pionerer. “Vi hadde aldri trodd at det noen gang skulle bli praktisk. Det var bare veldig gøy å tenke på disse sprø ideene, sier Brassard. «På et tidspunkt bestemte vi oss for at vi var seriøse, men folk fulgte oss ikke. Det var frustrerende. Nå som det blir anerkjent i en slik grad er det ekstremt gledelig.»