China logra la supremacía cuántica con un sistema diferente al de Google

La proeza del equipo dirigido por Jian-Wei Pan , de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, reside en la forma en que han conseguido la supremacía cuántica . Los ordenadores clásicos se comunican entre ellos a través de « bits », el lenguaje binario que, a través de complejos cálculos matemáticos, convierte la información en unos y ceros . Sin embargo, en computación cuántica, los sistemas «hablan» en «cúbits» , que pueden ser 1 y 0 a la vez (por el mismo principio que rige al famoso gato Schrodinger , vivo y muerto al mismo tiempo), lo que multiplica exponencialmente el rendimiento de esta tecnología. Es decir, con muchas menos operaciones , se pueden hacer cálculos mucho más potentes , lo que en la era del Big Data es una ventaja enorme (de ahí que grandes empresas como Google e IBM estén invirtiendo ingentes cantidades de dinero en esta tecnología).

Para conseguir estos cúbits teóricos hay que crear un sistema físico que los transporte y los manipule. Google lo consiguió a través de cúbits superconductores . Pero hay otras formas: desde trampas de iones a las exóticas cuasipartículas de Majorana , todos intentan crear un sistema que demuestre que estas nuevas máquinas cuánticas pueden realizar una tarea o un cálculo que esté completamente fuera de las capacidades de cualquier ordenador convencional. China lo ha logrado a través de un circuito óptico del muestreo de bosones : empleando una extraña propiedad cuántica de las partículas de luz (fotones), que viajan aleatoriamente en diferentes direcciones dentro de un circuito.

«No han creado un ordenador cuántico per se , sino un circuito óptico muy sofisticado que trabaja con luz cuántica», explica a ABC Juan José García Ripoll , físico teórico del Instituto de Física Fundamental (dependiente del CSIC). «Pero se trata de un experimento extremadamente difícil de llevar a cabo por la cantidad de elementos que tiene, por el uso de luz cuántica y la dificultad de mantener la coherencia cuántica de todo el sistema».

Este circuito es, de forma muy simple, algo así como una máquina de Galton : imaginemos un tablero vertical con varias filas de clavos. Desde arriba, caen bolas que botan de forma aleatoria sobre los clavos, llevando a las pelotas hacia un camino u otro hasta alcanzar la parte inferior del tablero. En el muestreo de bosones, las bolas serían los fotones (que son un tipo de bosón) y, los clavos, dispositivos ópticos o espejos , que hacen que la luz se propague en diferentes direcciones.

Sin embargo, las «pelotas» de luz cuántica no se comportan igual que las bolas físicas: los fotones poseen una extraña propiedad que se muestra cuando viajan a través de un divisor de haz (un espejo de los anteriores), que divide un solo rayo en dos que se propagan en diferentes direcciones. De forma paralela, si dos fotones idénticos golpean el espejo exactamente al mismo tiempo, no se separan entre sí y viajan en la misma dirección. Es decir, como si esas bolas físicas pudieran, en cada encuentro con un espejo, multiplicarse en dos o, en caso de llegar al mismo a la vez, convertirse en una sola .

La cuestión aquí sería averiguar los posibles caminos de los fotones en el circuito y su destino final (cuántos salen y por dónde) , una tarea que se complica cuantas más partículas de luz, entradas, salidas, caminos y espejos hay en el circuito, además de por la extraña capacidad de los fotones de dividirse o agruparse de forma aleatoria. De ahí que a las computadoras clásicas les cueste mucho más trabajo elaborar estos cálculos. Sin embargo, al sistema cuántico chino la tarea solo le ha costado 200 segundos, consiguiendo así la supremacía cuántica.

«Estudiar experimentalmente todo eso y sacar toda la estadística es laborioso, pero ellos han demostrado que es posible», afirma García Ripoll.

En concreto, el dispositivo de muestreo de bosones llamado Jiuzhang utilizó pulsos de láser enviados a un laberinto de 100 entradas, 100 salidas, 300 divisores de haz y 75 espejos . Su ordenador cuántico logró detectar hasta 76 fotones en cada experimento, con una media de 43 fotones de 100 (lo que equivaldría a 100 cúbits , casi el doble que en la versión de Google, que contaba con 53, según explica en su blog el físico Francisco R. Villatoro) . El equipo chino creador de Jiuzhang afirma que tiene una fiabilidad del 99% .

Con respecto a las diferencias del sistema de Google, García Ripoll señala: « El sistema no es reconfigurable , por lo que cada vez que hacen el experimento tienen que modificar a mano toda la configuración. Aun así es un equipo muy sofisticado y, en este sentido, es similar a la filosofía del experimento de Google con su ordenador cuántico, que generaba una sucesión de cúbits aleatorios que es muy difícil de reproducir de forma clásica». También ambos comparten su objetivo ad hoc : no tienen aplicaciones directas salvo demostrar la supremacía cuántica.

Hace una década, los físicos teóricos Scott Aaronson y Alex Arkhipov demostraron que el muestreo de bosones solo era posible con equipos cuánticos y que, además, sería la forma más fácil de conseguir la supremacía cuántica deseada. La segunda hipótesis estaba errada, pero no así la primera, si bien algunos no confiaron en sus tesis. «Este estudio demuestra que es factible llegar a la supremacía cuántica usando muestreo de bosones fotónicos, algo que mucha gente había dudado, y que representa una ruta de hardware completamente diferente a la de los cúbits superconductores que usó Google», explica a NewScientist el propio Aaronson.

Pero, a pesar de ser un gran paso en la computación cuántica, la humanidad aún se encuentra lejos de conseguir ordenadores cuánticos «de sobremesa» : el dispositivo solo sirve para esta tarea de muestreo de bosones, es decir, algo extremadamente específico sin mucho más recorrido práctico. «No significa construir una computadora cuántica escalable, ni un ordenador cuántico universal o útil», apunta Aaronson.

«No es un ordenador cuántico, sino un equipo mucho más específico que pertenece al ámbito de la física teórica. Es un experimento que en sí mismo no es útil, aunque se puede reformatear para aplicarlo a algún ámbito específico, como la química cuántica . En realidad es un aparato para llevar la mecánica cuántica a límites que hasta hace poco no se podían alcanzar y conseguir la supremacía cuántica. No es computacionalmente útil, pero es un hito científico impresionante », señala García Ripoll por su parte.

El siguiente paso, según los investigadores chinos, será, en efecto, conseguir pausar el experimento, realizar mediciones y redirigir a los fotones por el circuito, aunque será un logro extraordinariamente difícil de conseguir. Pero pensemos que, hace apenas cinco años, la supremacía cuántica aún estaba muy lejos. Y hoy la humanidad la ha conseguido dos veces. De momento.