Científicos trabajan en llevar propiedades de computadoras cuánticas a computadoras clásicas

Un grupo de científicos de la Universidad de Linköping han podido demostrar cómo funciona una computadora cuántica y han podido simular las propiedades de esta en una computadora clásica. 

“Nuestros resultados deberían ser muy significativos para determinar cómo construir una computadora cuántica”, dijo el profesor Jan-Åke Larsson. 

Suecia, Europa y otras partes del mundo han estado invirtiendo grandes recursos y enfocando la investigación para crear computadoras cuánticas super rápidas y poderosas. Dentro de diez años, se espera que se construya una computadora cuántica sueca y la UE ha considerado la tecnología cuántica como uno de sus proyectos principales. 

Actualmente, tenemos pocos algoritmos útiles que se puedan utilizar en computadoras cuánticas. Aunque ese es el caso, este tipo de tecnología será extremadamente importante en simulaciones de sistemas biológicos, químicos y físicos. Muchos de estos son demasiado complejos para las computadoras más poderosas que tenemos ahora. En una computadora, un bit puede tener el valor de uno o cero, pero un bit cuántico puede tener todos los valores intermedios. Esto significa que las computadoras cuánticas no necesitan realizar tantas operaciones para cada cálculo que se realiza. 

El profesor Jan-Åke Larsson y su estudiante de doctorado Niklas Johansson, de la División de Codificación de Información del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Linköping, han descubierto gran parte de por qué una computadora cuántica es más poderosa que una clásica. También han investigado lo que sucede dentro de una computadora cuántica. 

Los resultados de la investigación se han publicado en la revista científica Entropy.

“Hemos demostrado que la principal diferencia es que las computadoras cuánticas tienen dos grados de libertad para cada bit. Al simular un grado de libertad adicional en una computadora clásica, podemos ejecutar algunos de los algoritmos a la misma velocidad que se lograrían en una computadora cuántica”, dice Jan-Åke Larsson.

El equipo ha creado una herramienta de simulación llamada Lógica de Simulación Cuántica, o QSL. Permite simular el funcionamiento de una computadora cuántica en una computadora clásica. La Lógica de Simulación Cuántica tiene una propiedad específica, y es la única propiedad, que una computadora cuántica tiene y una computadora clásica no. Esa es una libertad adicional para cada bit que es parte del cálculo. 

“Así, cada bit tiene dos grados de libertad: se puede comparar con un sistema mecánico en el que cada parte tiene dos grados de libertad – posición y velocidad. En este caso, nos ocupamos de bits de cálculo – que llevan información sobre el resultado de la función, y bits de fase – que llevan información sobre la estructura de la función”, explica Jan-Åke Larsson.

La herramienta QSL ha sido utilizada por el equipo para estudiar algunos de los algoritmos cuánticos que son responsables de gestionar la estructura de la función. Muchos de esos algoritmos son tan rápidos en las simulaciones como lo serían en una computadora cuántica. 

“El resultado muestra que la mayor velocidad en las computadoras cuánticas proviene de su capacidad para almacenar, procesar y recuperar información en un grado de libertad adicional. Esto nos permite entender mejor cómo funcionan las computadoras cuánticas. Además, este conocimiento debería hacer que sea más fácil construir computadoras cuánticas, ya que sabemos qué propiedad es la más importante para que la computadora cuántica funcione como se espera”, dice Jan-Åke Larsson.

El equipo también ha construido una versión física con componentes electrónicos. Utilizaron puertas que son similares a las de las computadoras cuánticas, y una herramienta simula cómo funciona la computadora cuántica. Esto puede permitir a los estudiantes y a otros simular y entender cómo funcionan la criptografía cuántica y la teleportación cuántica, entre otros aspectos de las computadoras cuánticas. 

Esta nueva investigación puede agregar a la creciente intersección entre la computación cuántica y la inteligencia artificial. Una de estas intersecciones es el mapeo de características. Otra investigación realizada por IBM Research, MIT y científicos de Oxford ha demostrado que a medida que las computadoras cuánticas se vuelven más poderosas, podrán realizar mapeo de características en estructuras de datos complejas, algo que las computadoras clásicas no pueden hacer. El mapeo de características es importante dentro del aprendizaje automático, y puede conducir a una inteligencia artificial más efectiva que pueda identificar patrones en los datos que las computadoras clásicas no pueden detectar. 

A medida que se realiza más investigación en estos campos, habrá una intersección cada vez mayor entre las dos áreas importantes.