Un algoritmo cuántico se mostró más eficaz que cualquier otro análogo clásico

Un estudio llevado adelante por científicos turcos y brasileños, y publicado en la revista Scientific Reports, sugiere que la "contextualidad" puede ser la clave de la eficacia de la computación cuántica

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La computadora cuántica podrá dejar de ser un sueño y convertirse realidad en los próximos diez años. Y se espera que genere una ostensible disminución del tiempo de procesamiento, ya que los algoritmos cuánticos ofrecen soluciones más eficientes de determinadas tareas computacionales que cualquiera de los algoritmos clásicos correspondientes.

Hasta ahora se creía que la clave de la computación cuántica residía en las correlaciones entre dos o más sistemas. Un ejemplo de correlación cuántica es el proceso de “enmarañamiento”, que sucede cuando se generan o interactúan pares o grupos de partículas, de manera tal que no puede describirse independientemente el estado cuántico de cada partícula, ya que éste depende del conjunto (lea más en: http://agencia.fapesp.br/20654).

Sin embargo, en un estudio reciente se demostró que incluso un sistema cuántico aislado, es decir, sin correlaciones con otros sistemas, resulta suficiente como para implementar un algoritmo cuántico más rápido que su análogo clásico. Y un artículo donde se describe dicho estudio salió publicado a comienzos de octubre de 2015 en la revista Scientific Reports, perteneciente al grupo Nature: Computational speed-up with a single qudit.

El trabajo, al mismo tiempo teórico y experimental, partió de una idea planteada por el físico Mehmet Zafer Gedik, de la Sabanci Üniversitesi, de Estambul, Turquía. Y se concretó mediante una colaboración entre investigadores turcos y brasileños. Felipe Fernandes Fanchini, de la Facultad de Ciencias de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en el campus de la localidad de Bauru, es uno de los signatarios del artículo. Su participación en el estudio transcurrió en el marco del proyecto intitulado Control cuántico en sistemas disipativos, y contó con el apoyo la FAPESP.

“Este trabajo constituye un importante aporte al debate acerca de cuál es el recurso responsable del poder de procesamiento superior de las computadoras cuánticas”, declaró Fanchini a Agência FAPESP.

“Partiendo de la idea de Gedik, realizamos en Brasil un experimento utilizando el sistema de resonancia magnética nuclear (RMN) de la Universidad de São Paulo (USP) en São Carlos. Se concretó entonces la colaboración de investigadores de tres universidades: Sabanci, Unesp y USP. Y demostramos que un circuito cuántico dotado de un solo sistema físico, con tres o más niveles de energía, puede determinar la paridad de una permutación numérica evaluando sólo una vez la función. Eso es impensable en un protocolo clásico.”

Según Fanchini, Gedik propuso un algoritmo cuántico muy sencillo que, básicamente, determina la paridad de una secuencia. El concepto de paridad se utiliza para informar si una secuencia se encuentra o no en un determinado orden. Por ejemplo, si tomamos los números 1, 2 y 3 y establecemos que la serie 1-2-3 está en orden, las series 2-3-1 y 3-1-2, resultantes de permutaciones cíclicas de los números, estarán en el mismo orden.

Esto resulta fácil de entenderse si imaginamos los números dispuestos en una circunferencia. Dada la primera serie, basta con girarla una vez en un sentido para obtener la serie siguiente, y girarla una vez más para obtener la otra. Así y todo, para creárselas, las series 1-3-2, 3-2-1 y 2-1-3 requieren permutaciones acíclicas. Entonces, si convenimos que las tres primeras series son “pares”, las otras tres serán “impares”.

“En términos clásicos, la observación de un solo número, es decir, de una sola medición, no permite decir si la serie es par o impar. Para ello se hace necesario realizar al menos dos observaciones. Lo que Gedik demostró fue que, en términos cuánticos, una sola medición es suficiente como para determinar la paridad. Por eso, el algoritmo cuántico es más rápido que cualquier equivalente clásico. Y ese algoritmo puede plasmarse con una sola partícula. Lo que significa que su eficiencia no depende de ningún tipo de correlación cuántica”, informó Fanchini.

El algoritmo en pauta no dice cuál es la serie. Pero sí informa si es par o impar. Eso solamente es posible cuando existen tres o más niveles. Sucede que, de haber tan sólo dos niveles, algo del tipo 1-2 ó 2-1, no es posible definir una serie par o impar. “En los últimos tiempos, la comunidad que trabaja con computación cuántica ha venido explorando un concepto clave de la teoría cuántica, que es el concepto de ‘contextualidad’. Como la ‘contextualidad’ también opera únicamente a partir de tres o más niveles, sospechamos que puede estar implicada en la eficacia de nuestro algoritmo”, añadió el investigador.

El concepto de contextualidad

“El concepto de ‘contextualidad’ puede entenderse mejor si se comparan las ideas de medición de la física clásica y las de la física cuántica. En la física clásica, se supone que la medición no consiste en otra cosa que develar características que el sistema posee previamente a través del sistema que está midiéndose. Una determinada longitud o una determinada masa, por ejemplo. En tanto, en la física cuántica, el resultado de la medición no depende únicamente de la característica que está midiéndose, sino también de cómo se organizó la medición, y de todas las mediciones anteriores. En otras palabras, el resultado depende del contexto del experimento. Y la ‘contextualidad’ es la magnitud que describe dicho contexto”, explicó Fanchini.

En la historia de la física, la “contextualidad” fue reconocida como una característica necesaria de la teoría cuántica de acuerdo con el famoso Teorema de Bell. Según este teorema, planteado en 1964 por el físico irlandés John Stewart Bell (1928 – 1990), ninguna teoría física basada en variables locales puede reproducir todas las predicciones de la mecánica cuántica. En otras palabras, los fenómenos físicos no pueden describirse en términos estrictamente locales, toda vez que expresan la totalidad.

“Resulta importante subrayar que en otro artículo [Contextuality supplies the ‘magic’ for quantum computation] publicado en Nature en junio de 2014, se señala que la contextualidad sería una posible fuente del poder de la computación cuántica. Nuestro estudio apunta en el mismo sentido al plantear un algoritmo concreto y más eficiente que cualquier otro posible de imaginar en los moldes clásicos.”