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Unas cuantas docenas de fotones bastan para hacer cálculos imposibles

Grupos de investigación de diversas universidades internacionales realizan un nuevo avance hacia la computación cuántica


Grupos de investigación de diversas universidades internacionales han anunciado avances en computación cuántica basándose en la propuesta teórica planteada hace dos años por científicos del MIT. Se trata de un experimento óptico que aprovecha las curiosas leyes de la mecánica cuántica para realizar un cálculo imposible en ordenadores convencionales. A través del prototipo, denominado Boson Sampling, los investigadores han comprobado que basta con unas cuantas docenas de fotones para superar a cualquiera de los superordenadores actuales. Por Patricia Pérez.




El profesor Matthew Broome probando  el prototipo Boson Sampling. Fuente: UQ
El profesor Matthew Broome probando el prototipo Boson Sampling. Fuente: UQ
Son ya muchos los años en los que se habla de la computación cuántica como la panacea para solucionar algunos de los problemas difíciles o imposibles de resolver por la informática clásica. Sin embargo, aún se desconoce si este tipo de equipo futurista sería el único medio para dar solución a estos inconvenientes, o si los convencionales podrían hacerlo casi tan rápidamente.

De lo que no cabe duda es que la tecnología cuántica promete una considerable aceleración en el procesamiento de la información con respecto a los ordenadores actuales más rápidos. Ahora, cuatro grupos de investigación de diversas universidades de todo el mundo han anunciado importantes avances en computación cuántica a partir de la propuesta planteada hace dos años por científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos.

El profesor asociado de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Scott Aaronson, y su alumno Alex Arkhipov, propusieron un experimento que implicaba generar fotones individuales –partículas de luz- y sincronizar su paso a través de un laberinto de componentes ópticos para llegar a una batería de detectores de fotones al mismo tiempo.

Aunque se trataba de un planteamiento teórico, eran conscientes de la dificultad para ponerlo en práctica, aunque siempre sería más fácil que diseñar un ordenador cuántico completamente funcional. Y así ha sido. Prueba de ello son las distintas investigaciones emprendidas desde la Universidad de Queensland, Viena, Oxford y la Universidad Politécnica de Milán a partir de su propuesta. De momento tan sólo las dos primeras han sido publicadas.

A pesar de no ceñirse estrictamente a la formulación original, estos experimentos aportan la evidencia de que los ordenadores cuánticos poseen una ventaja exponencial frente a los convencionales. Si bien todavía es un interrogante si superarán a los superordenadores, queda demostrado que ciertos elementos cuánticos son más adecuados que otros para determinadas tareas computacionales.

En Viena

La computación cuántica funciona mediante la manipulación de elementos cuánticos como los fotones, electrones o átomos individuales. La gran ventaja de los fotones –un tipo particular de bosones- radica en su gran movilidad, cualidad que ha explotado un equipo de científicos de la Facultad de Física de la Universidad de Viena para desarrollar el denominado Boson Sampling (traducido en español como Muestreo bosónico).

Según explica la universidad en un comunicado, en este prototipo los fotones se insertan en una compleja red óptica donde podrían propagarse por diferentes caminos. “De acuerdo con las leyes de la física cuántica, los fotones parecen tomar varios caminos a la vez, lo que se conoce como superposición”, explica el líder del grupo, Philip Walther. Lo sorprendente es que se puede registrar el resultado del cálculo fácilmente, contabilizando cuántos fotones salen por cada camino de la red.

Así, mientras un ordenador clásico requeriría una descripción exacta de la red óptica para calcular la propagación de los fotones, ni siquiera en una simulación con unas docenas de fotones y un circuito con apenas un centenar de entradas y salidas, esta ambiciosa tarea está al alcance de Boson Sampling.

Para verificar el funcionamiento del prototipo es fundamental comparar sus resultados con las predicciones de la física cuántica, prueba que, irónicamente, sólo se puede realizar en un ordenador clásico. “Afortunadamente, estos equipos siguen siendo capaces de conseguirlo con sistemas suficientemente pequeños”, señala el autor principal de la publicación, Max Tillmann.

magen de una red óptica. Fuente: Grupo de Philip Walther, Universidad de Viena.
magen de una red óptica. Fuente: Grupo de Philip Walther, Universidad de Viena.
En Australia

En un artículo publicado en la revista Science, científicos de la Universidad de Queensland (UQ) en Australia describen los primeros pasos experimentales en computación cuántica recurriendo también al prototipo Boson Sampling.

Al igual que sus homólogos vieneses, inciden en la dificultad de predecir los resultados utilizando un ordenador convencional, sobre todo cuando entran en juego dispositivos grandes y muchos fotones, aunque las mediciones sigan siendo igualmente fáciles de ejecutar.

Según un comunicado de la UQ, el líder del equipo experimental, Andrew White, tenía sus dudas sobre si podría aplicarse a la práctica el planteamiento teórico de los científicos del MIT. “No sabíamos realmente si funcionaría en laboratorio, al enfrentarse a los efectos del mundo real, como circuitos con pérdidas, o fuentes y detectores de fotones individuales imperfectos”.

Sin embargo, al confirmar que BosonSampling se comporta como se esperaba, se allana el camino para pruebas más ambiciosas. La predicción de estos investigadores es que con sólo unas cuantas docenas de fotones se puede superar cualquiera de los superordenadores actuales.

Precisamente uno de los coautores de este experimento es el profesor Aaronson del MIT, quien admite estar “muy emocionado de ver cómo se han demostrado las primeras pruebas con BosonSampling, aunque sólo sea con 3 fotones, en lugar de los 30 o así que se requieren para superar a un ordenador clásico”. “No esperaba que esto sucediera tan rápido”, asegura.

A pesar del éxito de sus prototipos, tanto los científicos de Viena como de Australia coinciden en que el planteamiento literal de Aaronson y Arkhipov puede ser bastante difícil de plasmar, por lo que de momento consideran sus investigaciones como pasos intermedios hacia la construcción de la auténtica computadora cuántica.


Patricia Pérez
Miércoles, 15 de Mayo 2013
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Nota

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1.Publicado por Juan el 15/05/2013 16:25
Hola
Por que los ordenadores cuanticos son tan grandes?
Gracias

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