Utilizamos cookies propias y de terceros para mejorar nuestros servicios y facilitarte el uso de la web mediante el análisis de tus preferencias de navegación. También compartimos la información sobre el tráfico por nuestra web a los medios sociales y de publicidad con los que colaboramos. Si continúas navegando, consideramos que aceptas nuestra Política de cookies .

27 de Diciembre de 2018
Física

Un experimento que marca un hito demuestra que la comunicación cuántica es realmente más veloz

En un laboratorio de París se ha demostrado por primera vez en la práctica que los métodos cuánticos de transmisión de datos son superiores a los clásicos.

La computación cuántica permite que cierto tipo de información se transmita con menos bits, exponencialmente menos, que por medio de la comunicación clásica [Kevin Hong para Quanta Magazine, fragmento].

Los computadores cuánticos siguen siendo un sueño, pero la era de la comunicación cuántica está aquí. Un nuevo experimento, realizado en París, ha demostrado por primera vez que la comunicación cuántica es superior a las formas clásicas de transmitir información.

«Somos los primeros en mostrar una ventaja en la transmisión de la información que dos partes tienen que compartir para realizar una tarea útil», dice Eleni Diamanti, ingeniera eléctrica de la Universidad de la Sorbona y coautora del resultado junto con Iordanis Kerenidis, científico de la computación en la Universidad Diderot de París, y Niraj Kumar.

Es común pensar que las máquinas cuánticas, que sacan partido de las propiedades cuánticas de la materia para codificar la información, revolucionarán la computación. Pero el progreso está siendo lento. Mientras los ingenieros se esfuerzan en construir computadores cuánticos rudimentarios, los científicos que se dedican a la teoría de la computación se enfrentan a un obstáculo más fundamental: no han podido demostrar que los ordenadores clásicos no podrán realizar nunca las tareas para las que están concebidos los cuánticos. El pasado verano, por ejemplo, un adolescente de Texas demostró que un problema, del que se creía desde hacía mucho que solo se podía resolver rápidamente con un ordenador cuántico, también encontraría velozmente solución con uno clásico.

Sin embargo, en el campo de las comunicaciones, al contrario que en el de la computación, las ventajas de un método cuántico son certificables. Hace más de diez años de que los científicos de la computación probasen que, al menos teóricamente y para ciertas tareas, las comunicaciones cuánticas baten a las formas clásicas de enviar mensajes.

«La mayoría se fija en las tareas computacionales. Una gran ventaja es que con las comunicacionales las ventajas son comprobables», dice Kerenidis.

En 2004, Kerenidis y otros dos científicos de la computación imaginaron una situación en la que una persona tenía que enviar información a otra para que esta pudiese responder una pregunta determinada. Demostraron que un montaje cuántico podría lograr la tarea transmitiendo exponencialmente menos información de la que necesitaría un sistema clásico. Pero el montaje cuántico que imaginaron era puramente teórico y estaba muy por delante de la tecnología de la época.

«Pudimos probar esa ventaja cuántica, pero llevar realmente a cabo el protocolo cuántico era difícil», dice Kerenidis.

El nuevo trabajo realiza una versión modificada de la situación concebida por Kerenidis y sus colaboradores. La abordada en el artículo incluye a dos usuarios, Alice y Bob. Alice tiene un conjunto de bolas numeradas. Cada bola es, aleatoriamente, de color rojo o de color azul. Bob quiere saber si las bolas de un par concreto, escogido al azar, tienen el mismo color o no. Alice quiere enviarle a Bob la menor cantidad de información que pueda para que Bob pueda responder la pregunta.

Este problema recibe el nombre de «problema del muestreo coincidente». Es relevante para la criptografía y el dinero digital, donde los usuarios  a menudo quieren intercambiar información sin tener que divulgar por necesidad todo lo que saben. Es oportuno también para demostrar una ventaja de la comunicación cuántica.

«No puedes limitarte a decir 'quiero enviarte una película, o algo que mide un gigabyte, y codificarlo en un estado cuántico'» y esperar que se encuentre una ventaja cuántica, explica Thoma Vidick, científico de la computación del Instituto de Tecnología de Massachusetts. «Tienes que fijarte en tareas más sutiles».

Para resolver el problema de las coincidencias clásicamente, Alice tiene que enviarle a Bob una cantidad de información proporcional a la raíz cuadrada del número de bolas. Pero la naturaleza no ortodoxa de la información cuántica hace que una solución más eficiente sea posible.

En el montaje de laboratorio empleado en el nuevo trabajo, Alice y Bob se comunican por medio de pulsos de láser. Cada pulso representa una sola bola. Los pulsos pasan por un divisor de haz, que envía la mitad de cada pulso hacia Alice y la mitad hacia Bob. Cuando un pulso va a Alice, esta, para codificar la información relativa a cada bola, sea roja o azul, puede modificar algo que recibe el nombre de fase del pulso de láser.

Mientras, Bob codifica la información que quiere saber, relativa a un par de bolas, en su mitad de los pulsos de láser. Los pulsos convergen entonces en otro divisor de haz, donde interfieren entre sí. La forma en que los dos conjuntos de pulsos interfieren entre sí refleja las diferencias en el modo en que la fase de cada haz ha sido modificada. Bob puede leer el patrón de interferencia en unos detectores de fotones instalados cerca.

Hasta el momento en que Bob «lee» el mensaje de láser de Alice, este puede responder cualquier pregunta sobre cualquier par. Pero en la acción de leer el mensaje cuántico, Bob lo destruye y la información que se le ofrece es justo sobre un par concreto de bolas.

Esta característica de la información cuántica (que potencialmente se puede leerla de muchas maneras, pero a final solo se lee de una) reduce drásticamente la cantidad de información que tiene que transmitirse para resolver el problema del muestreo coincidente. Si Alice tiene que enviarle a Bob cien bits clásicos para garantizar que él podrá responder su pregunta, ella podrá lograr lo mismo con unos diez qúbits, o bits cuánticos.

«Es el tipo de prueba de principios que hay que hacer para construir una red cuántica real», dice Graeme Smith, físico del JILA, en Boulder, Colorado, que se dedica a la tecnología cuántica.

El nuevo experimento es un triunfo sin vuelta de hoja sobre los métodos clásicos. Los investigadores se embarcaron en el experimento sabiendo exactamente cuánta información necesitaban transmitir clásicamente para resolver el problema. Demostraron entonces, más allá de toda duda, que se podía resolver de una manera mucho más ahorrativa con medios cuánticos. «Es hermoso ver en este artículo a gente que de verdad se esfuerza atinadamente para asegurar que lo que está haciendo es arduo clásicamente y luego, eso que tan arduo es, lo hace» con métodos cuánticos, dice Smith.

El resultado indica también una ruta diferente para lograr una meta muy ansiada por la ciencia de la computación: probar que los ordenadores cuánticos superan a los clásicos. Cuesta dejar establecida esa «supremacía» cuántica en el ámbito puramente computacional, pero muchos problemas importantes no solo dependen de lo puramente computacional.

Según Kerenidis, «combinar lo que podemos hacer con la potencia comunicativa y la computacional, conjuntar ambas cosas, facilitaría la demostración de la ventaja cuántica».

Kevin Harnett / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Experimental demonstration of quantum advantage for one-way communication complexity», de Niraj Kumar, Iordanis Kerenidis y Eleni Diamanti en arXiv:1811.09154 [quant-ph].

Artículos relacionados

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.