Físicos en China desafían la 'ventaja cuántica' de Google
Esta computadora fotónica realizó en 200 segundos un cálculo que en una supercomputadora ordinaria tardaría 2.500 millones de años en completarse. Crédito: Hansen Zhong

Físicos en China desafían la ‘ventaja cuántica’ de Google

Un equipo en China afirma haber hecho la primera demostración definitiva de ‘ventaja cuántica’: explotar el funcionamiento contraintuitivo de la mecánica cuántica para realizar cálculos que serían prohibitivamente lentos en las computadoras clásicas.

Han utilizado rayos de luz láser para realizar un cálculo que se ha demostrado matemáticamente que es prácticamente imposible en computadoras normales.

El equipo logró en pocos minutos lo que tomaría la mitad de la edad de la Tierra en las mejores supercomputadoras existentes. Contrariamente a la primera demostración de una ventaja cuántica de Google, realizada el año pasado, su versión es prácticamente inexpugnable por cualquier computadora clásica.

“Hemos demostrado que podemos usar fotones, la unidad fundamental de luz, para demostrar el poder computacional cuántico mucho más allá de la contraparte clásica”, dice Jian-Wei Pan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei.

Agrega que el cálculo que llevaron a cabo, llamado problema de muestreo de bosones, no es solo un vehículo conveniente para demostrar la ventaja cuántica, sino que tiene aplicaciones prácticas potenciales en la teoría de grafos, la química cuántica y el aprendizaje automático.

«Este es sin duda un experimento tour de force y un hito importante», dice el físico Ian Walmsley del Imperial College de Londres.

Ventaja cuántica desafiada

Los equipos de los laboratorios académicos y corporativos han estado compitiendo para demostrar la ventaja cuántica (un término que ahora ha reemplazado en gran medida a la anterior ‘supremacía cuántica’).

El año pasado, los investigadores del laboratorio de computación cuántica de Google en Santa Bárbara, California, anunciaron la primera demostración de la ventaja cuántica. Usaron su dispositivo Sycamore de última generación, que tiene 53 bits cuánticos (qubits) hechos de circuitos superconductores que se mantienen a temperaturas ultrafrías 2 .

Pero algunos investigadores cuánticos refutaron la afirmación, con el argumento de que podría existir un algoritmo clásico mejor que supere al cuántico 3. Y los investigadores de IBM afirmaron que sus supercomputadoras clásicas, en principio, ya podían ejecutar algoritmos existentes para hacer los mismos cálculos en 2,5 días.

Para demostrar de manera convincente la ventaja cuántica, es poco probable que se pueda encontrar un método clásico significativamente más rápido para la tarea que se está probando.

El equipo de Hefei, dirigido por Pan y Chao-Yang Lu , eligió un problema diferente para su demostración, llamado muestreo de bosones. Fue ideado en 2011 por dos informáticos, Scott Aaronson y Alex Arkhipov 4 , entonces en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge.

Implica calcular la distribución de probabilidad de muchos bosones, una categoría de partícula fundamental que incluye fotones, cuyas ondas cuánticas interfieren entre sí de una manera que esencialmente aleatoriza la posición de las partículas. La probabilidad de detectar un bosón en una posición determinada se puede calcular a partir de una ecuación en muchas incógnitas.

200 segundos

Pero el cálculo en este caso es un ‘problema # P-difícil’, que es incluso más difícil que los problemas NP-difíciles notoriamente complicados, para los cuales el número de soluciones aumenta exponencialmente con el número de variables. Para muchas decenas de bosones, Aaronson y Arkhipov demostraron que no existe un atajo clásico para el cálculo increíblemente largo.

Sin embargo, una computadora cuántica puede eludir el cálculo de la fuerza bruta simulando el proceso cuántico directamente, lo que permite que los bosones interfieran y muestreen la distribución resultante.

Para hacer esto, Pan y sus colegas optaron por utilizar fotones como qubits. Llevaron a cabo la tarea en una computadora cuántica fotónica que trabaja a temperatura ambiente.

A partir de pulsos de láser, los investigadores codificaron la información en la posición espacial y la polarización de estados de fotones particulares: la orientación de los campos electromagnéticos de los fotones. Luego, estos estados se reunieron para interferir entre sí y generar la distribución de fotones que representa la salida.

El equipo utilizó fotodetectores capaces de registrar fotones individuales para medir esa distribución, que de hecho codifica los cálculos que son tan difíciles de realizar de forma clásica.

De esta manera, Pan y sus colegas pudieron encontrar soluciones al problema del muestreo de bosones en 200 segundos. Calculan que se necesitarían 2.500 millones de años para calcularlos en la supercomputadora TaihuLight de China, una ventaja cuántica de alrededor de 10 14.

Físicos en China desafían la ‘ventaja cuántica’ de Google