REVISTA DE INGENIERIA DYNA

Los experimentos de computación cuántica están evolucionando hacia un nivel de tamaño y complejidad crecientes, con el objetivo de demostrar alguna ventaja sobre los ordenadores clásicos. El "muestreo de bosones" es una plataforma prometedora para este objetivo, sin embargo, el número de fotones individuales involucrados en experimentos ha sido hasta ahora de tan solo 5.

Jian-Wei Pan y Chao-Yang Lu, investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, y sus colegas haan mejorado una técnica de computación cuántica llamada “muestreo de bosones” logrando detectar una cifra récord de 14 fotones, frente a los 5 detectados en experimentos anteriores. El aumento en el número de partículas es pequeño, pero equivale a una ganancia de 6.500 millones de veces en "espacio de estado" (o número de formas en que se puede configurar un sistema informático). Cuanto mayor es el espacio de estados, menos probable es que un ordenador clásico sea capaz de realizar el mismo cálculo.

En los ordenadores clásicos, la información se codifica en bits binarios, por lo que dos bits pueden tomar 4 valores: 00, 01, 10 u 11. 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: dos qubits tienen alguna probabilidad de ser 00, 01, 10 y 11 hasta que se miden; tres qubits tienen una probabilidad de estar en cualquiera de los ocho estados; y así sucesivamente. Este aumento exponencial de la información gestionada, explica el por qué los ordenadores cuánticos tienen ventaja frente a los clásicos.

El muestreo de bosones constituye 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.

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.

Hay que reconocer que este experimento tiene una utilidad limitada. Una computadora tradicional puede resolver cualquier tipo de problema y con este sistema sólo podemos resolver uno. Pero resolver un solo problema más rápido que un ordenador clásico, sería una demostración de la supremacía cuántica-computacional.

La verdadera dificultad es la sincronización de los fotones. El equipo necesita producir fotones únicos o varios simultaneamente. Los fotones no esperan entre sí, por lo que es necesario generarlos con gran precisión.

Si los fotones llegan aunque sea con unas pocas trillonésimas de segundo de diferencia, se "pierden". Cada fotón en el sistema aumenta la posibilidad de que existan fotones no sincronizados, y estos errores se van acumulando. 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.

Aunque los investigadores solo detectaron 14 de los 20 fotones que introdujeron en el sistema, esa cantidad fue suficiente para generar un espacio de estados difícil de calcular.