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8 de Noviembre de 2019
Computación cuántica

Un ordenador cuántico basado en fotones logra un nuevo récord

Los investigadores consiguen dar un paso importante hacia la supremacía cuántica gracias a este sistema, diseñado para realizar una única tarea.

El ordenador cuántico con el que se ha conseguido el avance no se basa en qubits superconductores, como los de Google o IBM, sino en fotones. Aunque su utilidad es limitada (sirve para una única tarea) este tipo de sistema podría servir para demostrar la supremacía cuántica. [iStock/Nastco]

Un método de computación cuántica que emplea partículas de luz (fotones) ha servido para dar un paso prometedor en la carrera por crear un ordenador cuántico que supere a los clásicos. Jian-Wei Pan y Chao-Yang Lu, investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, y sus colaboradores han perfeccionado una técnica conocida como «muestreo de bosones» y con la que han logrado detectar una cifra récord de 14 fotones, cuando los experimentos anteriores solo habían llegado a 5.

Aunque el aumento en el número de partículas sea modesto, supone multiplicar por 6500 millones el tamaño del «espacio de estados»: la cantidad de formas en que puede configurarse un sistema computacional. Cuanto mayor es el espacio de estados, menos probable es que un ordenador clásico sea capaz de realizar el mismo cálculo.

El resultado se ha presentado en un artículo publicado en el repositorio arXiv y que aún no ha sido sometido al proceso de revisión por pares. Pero si se confirma, sería un hito importante en la carrera por la supremacía cuántica, una meta difusa que se alcanzará cuando los ordenadores cuánticos consigan llevar a cabo una tarea que esté fuera del alcance de cualquier ordenador clásico.

La máquina de Galton

En los ordenadores clásicos, la información se codifica en bits binarios, por lo que dos bits pueden tomar los valores 00, 01, 10 o 11. Pero un ordenador cuántico puede estar en una superposición de todos los estados clásicos: dos qubits tienen una cierta probabilidad de ser 00, 01, 10 y 11 hasta que los midamos; tres qubits tienen una cierta probabilidad de estar en cualquiera de ocho estados, y así sucesivamente. Este aumento exponencial en la cantidad de información ilustra por qué los ordenadores cuánticos, en teoría, tienen tanta ventaja.

En las últimas semanas, la carrera por la supremacía cuántica ha tomado un ritmo vertiginoso. El ordenador cuántico de Google realizó en tan solo 200 segundos un cálculo que, de acuerdo con los científicos de la compañía, le llevaría unos 10.000 años a un ordenador clásico. Los investigadores de IBM, que también están trabajando en el desarrollo de un ordenador cuántico, han expresado sus dudas, sugiriendo que un ordenador clásico podría resolver ese problema en menos de tres días.

Pan y Lu defienden en su artículo que su técnica constituye otra posible ruta hacia la supremacía cuántica. «No estoy seguro, parece difícil», manifiesta Scott Aaronson, teórico de la computación de la Universidad de Texas en Austin que no participó en la nueva investigación. «Pero como coinventor del método de muestreo de bosones, me alegra ver que también se producen avances en esa dirección.»

El muestreo de bosones puede verse como una versión cuántica de un dispositivo clásico: la máquina de Galton. Esta consta de un tablero vertical con varias filas de clavijas sobre las que se dejan caer bolas, las cuales van rebotando en las clavijas hasta aterrizar en una serie de compartimentos dispuestos en la parte inferior. La máquina de Galton. El movimiento aleatorio de las bolas al caer entre las clavijas conduce a una distribución normal en la parte inferior. [Matemateca (IME USP), CC BY-SA 4.0]

El movimiento aleatorio de las bolas habitualmente conduce a una distribución normal en los compartimentos: la mayoría de ellas caen cerca del centro y su número va disminuyendo a medida que nos acercamos a los bordes. Los ordenadores clásicos pueden predecir fácilmente este resultado mediante simulaciones del movimiento aleatorio.

En el muestreo de bosones, en vez de bolas tenemos fotones y en vez de clavijas, instrumentos ópticos como espejos y prismas. Los fotones se lanzan a través del conjunto y aterrizan en un «compartimento» situado al final, donde una serie de detectores registran su presencia. Debido a las propiedades cuánticas de los fotones, un dispositivo con tan solo 50 o 60 fotones podría producir tantas distribuciones diferentes que los ordenadores clásicos tardarían miles de millones de años en calcularlas.

Pero con el muestreo de bosones podemos predecir los resultados realizando la tarea en sí misma. De esta manera, la técnica constituye tanto el problema computacional como el ordenador cuántico que puede resolverlo.

Aaronson y su estudiante Alex Arkhipov propusieron el muestreo de bosones en 2010, pero la técnica no es tan popular como otros métodos de computación cuántica que usan qubits físicos, como los preferidos por Google e IBM.

Parte del problema es su utilidad limitada. «Un ordenador universal puede resolver cualquier tipo de problema», incide Jonathan Dowling, físico teórico de la Universidad Estatal de Luisiana que no participó en la investigación. «Este solo puede resolver uno.» Pero solucionar un único problema significativamente más rápido que un ordenador clásico contaría como una demostración de la supremacía cuántica.

Una carrera de caballos

Sin embargo, describir el experimento es más fácil que llevarlo a cabo. Lu compartió en Twitter una imagen de la configuración experimental de su equipo, un tablero de una mesa cubierto con un denso e intrincado patrón de dispositivos metálicos brillantes.

La verdadera dificultad es la sincronización: el equipo necesitaba producir fotones individuales por separado y de manera simultánea. «Los fotones no van a esperarse unos a otros, así que es necesario generarlos todos al mismo tiempo», apunta Alexandra Moylett, que estudia un doctorado en computación cuántica en la Universidad de Bristol, Inglaterra, y tampoco participó en el trabajo.

Si los fotones llegan separados por tan solo unas billonésimas de segundo, «se pierden». Cada fotón del sistema aumenta la probabilidad de que haya fotones desincronizados, porque los errores se acumulan. Y cuantos más fotones se pierden, más fácil le resulta a un ordenador clásico simular la distribución de fotones y más lejos estamos de la supremacía cuántica.

Según Lu, si su equipo ha podido alcanzar la cifra de 14 fotones detectados es gracias a una fuente de fotones extremadamente precisa. «Ese es el ingrediente mágico», confirma Dowling. «Sin ella no habrían podido hacerlo.»

Aunque los investigadores solo detectaron 14 de los 20 fotones que introdujeron en el sistema, ese número fue suficiente para generar un espacio de estados difícil de calcular. Para entender por qué, consideremos el sencillo juego del tres en raya, donde el tamaño del espacio de estados es 19.683, o 39, ya que en cada una de las nueve casillas hay tres posibilidades (un espacio en blanco, una X o una O).

Hasta ahora, el mejor estudio de muestreo de bosones había conseguido un espacio de estados de tamaño 15.504, que el experimento de Pan y Lu aumentó hasta unos 100 billones. En una entrada de Twitter, Lu afirmó que en un año su equipo incrementaría el número de fotones a entre 30 y 50.

No está claro que el muestreo de bosones pueda implementarse a una escala suficiente como para alcanzar la supremacía cuántica. En el pasado ya se han producido muchas afirmaciones cuestionables, algunas con negocios multimillonarios en torno a ellas. «La supremacía cuántica es como una carrera de caballos en la que no sabes cómo de rápido es tu caballo, no sabes cómo de rápidos son los caballos de los demás, y algunos de los caballos son cabras», concluye Dowling. Pero este resultado, aclara, no es una cabra.

Daniel Garisto

Referencia: «Boson sampling with 20 input photons in 60-mode interferometers at 1014 state spaces», Hui Wang et al. en arXiv:1910.09930 [quant-ph], 22 de octubre de 2019.

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