Del vacío a la supremacía cuántica

28/02/2018 6 comentarios
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Presentamos una propuesta para realizar un cálculo fuera del alcance de un ordenador convencional usando como recurso el vacío cuántico.

En el número de febrero, Investigación y Ciencia ha incluido los "Avances en computación cuántica" como una de las "10 ideas científicas más revolucionarias del momento". Efectivamente, ahora mismo algunas de las empresas más poderosas del mundo (Microsoft, Google, IBM, Intel...) y los gobiernos de las grandes potencias mundiales (UE, Reino Unido, China,...), así como una gran cantidad de pequeñas empresas emergentes, están invirtiendo grandes cantidades de talento, tiempo y dinero en hacer la computación cuántica una realidad. 

Un concepto clave en esta carrera tecnológica es la "supremacía cuántica". Se dice que se habrá alcanzado la supremacía cuántica cuando un ordenador cuántico real realice una tarea o un cálculo que esté completamente fuera de las capacidades de cualquier ordenador convencional. Este largamente esperado anuncio podría ocurrir en cualquier momento: sabemos que existen ya ordenadores cuánticos de 50 bits cuánticos, y para ese tamaño es conocido que existen ciertos problemas que sólo un ordenador cuántico podría resolver.

Además de los ordenadores basados en bits cuánticos, existen otros modelos de ordenadores cuánticos, por ejemplo, los que están basados en fotones. Estos ordenadores también pueden alcanzar la supremacía cuántica: de hecho existe un ejemplo muy concreto llamado "boson sampling" (muestreo de bosones). El muestreo de bosones consiste básicamente en lo siguiente (véase la figura): tomemos un "circuito" con una serie de entradas y salidas. En algunas de esas entradas tenemos una partícula (un fotón, que es un ejemplo de bosón), y en otras no tenemos nada. El circuito consiste en una serie de transformaciones que se van a realizar sobre todo lo que ha entrado en él, por ejemplo, en el circuito habrá un cierto número de "divisores de haz" (beam splitters), que harán que haya una cierta probabilidad de que los fotones "cambien de carril" en el circuito. En la salida del circuito, por tanto, los fotones se habrán redistribuido en los carriles de salida. Uno podría pensar que es posible calcular las probabilidades de que haya un cierto número de partículas en un cierto carril de salida. Sin embargo, el gran Scott Aaronson y su colaborador Alex Arkhipov demostraron que, en general, si los parámetros del circuito (por ejemplo las probabilidades de que los divisores de haz cambien de carril a los fotones) se seleccionan de manera aleatoria, y a partir de un cierto número de partículas (unas 20) y de carriles de entrada y salida (unos 400), el cálculo de las probabilidades a la salida es, muy probablemente, intratable para un ordenador convencional.

Esquema general de un aparato de muestreo de bosones

Sin embargo, aunque un ordenador no-cuántico no pueda hacer el cálculo, parece posible construir en los laboratorios de tecnologías cuánticas el sistema descrito anteriormente: de esta manera, simplemente inyectándole partículas al circuito, realizando las operaciones, midiendo a la salida y repitiendo muchas veces el experimento, nuestro sistema realizaría digamos, de manera natural, el cálculo. Estaríamos, por tanto, ante un ordenador cuántico, si bien uno no-universal, ya que, en principio, está diseñado para realizar sólo una tarea en concreto (el muestreo de bosones).

Desde la aparición de los resultados de Aaronson y Arkhipov, muchos grupos teóricos y experimentales se han puesto a la tarea de realizar el muestreo de bosones en las tecnologías cuánticas actuales. Así, ahora mismo disponemos de muchas propuestas teóricas de cómo realizar el experimento en varios sistemas físicos concretos, e incluso varios experimentos realizados con un número pequeño de partículas y carriles. Hasta el momento, sin embargo, no se ha realizado un experimento con un sistema que sea lo suficientemente grande para alcanzar la supremacía cuántica.

Hoy aparece en la revista Scientific Reports un artículo en el que Borja Peropadre, Joonsuk Huh y yo mismo presentamos una nueva propuesta para realizar el muestreo de bosones. Cuando empezamos a trabajar en ello Borja y Joon eran investigadores postdoctorales en Harvard. En la actualidad, trabajan para el grupo de información cuántica de Raytheon BBN Technologies, y la Universidad Sungkyankwan (Corea del Sur), respectivamente. La novedad de nuestra propuesta es que el recurso principal no es otra cosa que el vacío cuántico. A partir del vacío, usamos el efecto Casimir Dinámico (del que hablé aquí) en circuitos superconductores para generar las partículas que entran en el circuito, y también para realizar las transformaciones del circuito en sí mismo. De esta manera, sólo necesitamos tres "espejos" (como expliqué aquí, no son espejos, sino circuitos eléctricos que generan condiciones equivalentes a las de un espejo: los fotones rebotan en ellos). Moviendo el espejo del centro de diversas maneras astutas, mostramos que, en principio, se puede generar todo lo necesario para un muestreo de bosones. Veremos si algún colega experimental está interesado en hacer el experimento.

Por supuesto, este tipo de cálculo no está del todo libre de la crítica que lanza Darío Gil de IBM en el mencionado artículo de febrero en IyC: puede que esta sea una tarea sin importancia "comercial, intelectual y social", ya que está diseñado exclusivamente para demostrar que se puede alcanzar la supremacía cuántica. Sin embargo, creo que la comunidad interesada en el muestreo de bosones lo concibe simplemente como un primer paso imprescindible para avanzar hacia esos problemas más interesantes que describe Darío Gil.