Imprimir Republicar

FÍSICA

Un atajo hacia la computación cuántica

Grupos internacionales ensayan una estrategia para realizar, en un chip de vidrio, operaciones imposibles para las computadoras convencionales

Ana Paula CamposCuatro equipos internacionales de investigadores crearon, de manera independiente, una calculadora que funciona por medio de las raras propiedades cuánticas de la luz. La versión de esta calculadora cuántica construida con la participación de brasileños resuelve, por ejemplo, una operación matemática después que miles de tríos de fotones (partículas de luz) recorren un pequeño chip de vidrio, del tamaño de una placa portaobjetos para microscopía.

Estos dispositivos forman parte de otro intento por comprobar en forma práctica que la computación cuántica dispone de capacidad para superar a la convencional, por ahora, algo sólo previsto en forma teórica. Las calculadoras fabricadas por esos grupos constituyen lo que en realidad los físicos han dado en llamar computadoras cuánticas restringidas. Concebidas para realizar un tipo específico de cálculo, constituyen una versión simplificada de las anheladas computadoras cuánticas universales, que, en principio, podrían realizar cualquier tipo de operación matemática. Mientras que estas últimas tardarán décadas en superar el desempeño de las computadoras clásicas, los físicos creen que, en poco más de 10 años, las computadoras cuánticas restringidas realizarán cálculos imposibles incluso para la más poderosa de las supercomputadoras actuales.

Los dispositivos proyectados y desarrollados por los cuatro equipos, por el momento, demoran dos semanas para resolver una operación matemática compleja utilizando matrices que, aunque no sean triviales, cualquier laptop común resolvería en segundos. Aunque no impresionan por su velocidad, estos dispositivos están impresionando a los físicos porque versiones algo más perfeccionadas podrían, en breve, desafiar los límites de la computación clásica.

“Estos son los primeros de una serie de experimentos, concebidos para realizar cálculos cada vez más difíciles de repetir por computadoras comunes”, comenta el físico Ernesto Galvão, de la Universidad Federal Fluminense, en Niterói, Río de Janeiro. Él y su alumno de doctorado Daniel Brod colaboraron en el experimento llevado a cabo el año pasado en el laboratorio de los físicos Paolo Mataloni y Fabio Sciarrino, de la Universidad Sapienza de Roma, en Italia.

Las computadoras cuánticas aprovechan las leyes de la mecánica cuántica, que rigen el comportamiento de la luz, los átomos y las moléculas, para ejecutar cálculos con una velocidad exponencialmente mayor. Ellas podrían, por ejemplo, escribir cualquier número entero como el producto de una serie de números primos, una operación conocida como factorización. Mientras que a las computadoras actuales les demanda años factorear números grandes, con cientos de dígitos, una computadora cuántica con suficiente memoria podría realizar el cálculo en segundos. Pero hasta ahora los físicos sólo lograron construir computadoras cuánticas con memoria suficiente para factorear hasta el número 21.

Disminución de las expectativas
Ante la dificultad para construir computadoras cuánticas universales, programables para ejecutar tareas diversas, los físicos se han dedicado en los últimos tiempos a proyectar computadoras cuánticas restringidas, que funcionan más como calculadoras que como computadoras.

Ana Paula CamposLas computadoras cuánticas restringidas que están desarrollando y perfeccionando los cuatro grupos internacionales se basan en una estrategia postulada en 2010 y denominada muestreo bosónico. Tal estrategia, presentada en 2010 por el científico de la computación Scott Aaronson y por el matemático Alex Arkhipov, ambos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, se vale de la dificultad para estimar el comportamiento de fotones recorriendo un circuito óptico para realizar una tarea computacional de difícil cálculo.

En un circuito que presenta cinco caminos paralelos para los fotones, ¿cuál es la probabilidad de que tres fotones idénticos que ingresen simultáneamente, cada uno por una entrada diferente, por ejemplo, 1, 2 y 3, salten de una pista a otra y salgan en una secuencia específica, como ser 2, 3 y 5? Para arribar al resultado de ese cálculo, hay que ejecutar una operación matemática con matrices, cuyos números dependen de las propiedades del circuito y del número de fotones (vea la infografía).

El dúo del MIT descubrió que el tiempo que una computadora convencional emplearía para realizar el cálculo crece exponencialmente a medida que aumenta el número de fotones y de pistas del circuito. Para el caso de 30 fotones, por ejemplo, las supercomputadoras probablemente emplearían horas para calcular el resultado. Con 100 fotones, les demandaría años.

El 21 de diciembre de 2012, la fecha en que una profecía atribuida a los mayas preveía el apocalipsis, Aaronson bromeaba en su blog: “Si el mundo se acaba hoy, al menos no será sin la demostración del protocolo de muestreo bosónico”. Aquel día, la revista Science publicó los resultados de dos experimentos que habían implementado su idea, uno conducido por Ian Walmsley, de la Universidad de Oxford, en Inglaterra, y otro encabezado por Andrew White, de la Universidad de Queensland, en Australia. Los resultados logrados por los otros dos equipos ‒el ítalo-brasileño y el de Philip Walther, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica, en Austria‒ aparecieron esa misma semana en el sitio web arXiv, un repositorio de trabajos científicos, y se publicaron el 26 de mayo de este año en la revista Nature Photonics.

Según refiere Galvão, el trabajo de su equipo presenta una ventaja que será importante en experimentos futuros. Mientras que la mayor parte de las propiedades del circuito utilizado por los otros grupos es fija, el chip de vidrio construido en el laboratorio del físico Roberto Osellane, del Instituto de Fotónica y Nanotecnología, en Milán, es flexible. Los investigadores pueden ajustar arbitrariamente las probabilidades de que los fotones salten de una pista del circuito a otra. “Se puede controlar la ruta de los fotones”, explica. “Esto puede ser útil para la investigación en óptica cuántica en general”.

Paulo Souto Ribeiro, físico experimental experto en óptica cuántica de la Universidad Federal de Río de Janeiro, considera razonable el plazo de 10 años para que la velocidad de cálculo de los dispositivos que se valen del muestreo bosónico sobrepase a la de las computadoras convencionales. “Pero se trata de una estimación bastante incierta”, dice Ribeiro. La razón de ello es que aún resulta muy difícil generar fotones idénticos en gran cantidad y controlar la pérdida de fotones durante el recorrido en circuitos mayores. Tampoco se sabe si los cálculos de muestreo bosónico ofrecerían alguna utilidad práctica. Ribeiro comenta que se están desarrollando dispositivos similares para simular en un futuro el comportamiento de los electrones en materiales superconductores.

Artículo científico
CRESPI, A. et al. Integrated multimode interferometers with arbitrary designs for photonic boson sampling. Nature Photonics. Publicado online. 26 de mayo, 2013.

Republicar