Un algoritmo cuántico importante puede ser en realidad una propiedad de la naturaleza

Ilustración conceptual de la doble hélice del ADN Sra. Tecnología; Imagen original: Wikimedia commons

En 1996, un físico cuántico de Bell Labs en Nueva Jersey publicó una nueva receta para buscar en una base de datos de norte entradas. Los informáticos saben desde hace tiempo que este proceso lleva alrededor norte pasos porque en el peor de los casos, el último elemento de la lista podría ser el de su interés.

Sin embargo, este físico, Lov Grover, demostró cómo las extrañas reglas de la mecánica cuántica permitían realizar la búsqueda en un número de pasos igual a la raíz cuadrada de norte .

Eso fue un gran problema. La búsqueda en bases de datos es una tarea fundamental en informática, que se utiliza para todo, desde encontrar números de teléfono hasta descifrar códigos criptográficos. Así que cualquier aceleración es un avance significativo.

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La mecánica cuántica proporcionó un giro adicional. En ese momento, la receta de Grover era solo el segundo algoritmo cuántico que había demostrado ser más rápido que su contraparte clásica. (El primero fue el algoritmo de Peter Shor para factorizar números, que descubrió en 1994). El trabajo de Grover fue un factor importante en la preparación del camino para la revolución de la computación cuántica que aún continúa en la actualidad.

Pero a pesar del interés, la implementación del algoritmo de Grover ha llevado tiempo debido a los importantes desafíos técnicos que implica. La primera computadora cuántica capaz de implementarlo apareció en 1998, pero la primera versión escalable no apareció hasta 2017, e incluso entonces funcionaba con solo tres qubits. Por lo tanto, se necesitan desesperadamente nuevas formas de implementar el algoritmo.

Hoy, Stéphane Guillet y sus colegas de la Universidad de Toulon en Francia dicen que esto puede ser más fácil de lo que nadie esperaba. Dicen que tienen evidencia de que el algoritmo de búsqueda de Grover es un fenómeno natural. Brindamos la primera evidencia de que, bajo ciertas condiciones, los electrones pueden comportarse naturalmente como una búsqueda de Grover, en busca de defectos en un material, dicen.

Eso tiene implicaciones obvias para la computación cuántica, pero su importancia real puede ser mucho más profunda. Durante algún tiempo, los teóricos han debatido si la búsqueda cuántica podría explicar uno de los mayores misterios sobre el origen de la vida. La idea de que las búsquedas de Grover ocurren en la naturaleza finalmente podría resolver el enigma.

Primero algunos antecedentes. Debido a que es tan fundamental, el algoritmo de búsqueda de Grover se puede reformular de varias maneras. Uno de ellos es como un paseo cuántico a través de una superficie: la forma en que una partícula cuántica se movería aleatoriamente de un punto a otro.

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Claramente, este proceso es una especie de búsqueda del espacio bidimensional. Pero debido a que una partícula cuántica puede explorar muchos caminos al mismo tiempo, es mucho más rápida que una búsqueda clásica.

La naturaleza de la superficie tiene una influencia importante en la búsqueda. Por ejemplo, un tipo de superficie consiste en una cuadrícula cuadrada donde la partícula cuántica tiene cuatro movimientos posibles en cada vértice.

Pero hay muchas otras cuadrículas posibles; uno triangular, por ejemplo, donde la partícula cuántica tiene tres opciones en cada vértice. La rejilla triangular es de particular interés debido a su parecido con varios materiales naturales similares a cristales, dicen Guillet y compañía.

El equipo se centró en simular la forma en que funciona una búsqueda de Grover para electrones que exploran rejillas triangulares y cuadradas, pero también incluyeron otros efectos físicamente realistas, como defectos en la rejilla en forma de agujeros y propiedades cuánticas como efectos de interferencia.

Los resultados son reveladores. La pregunta que hacen es qué tan rápido un electrón puede encontrar el agujero en una cuadrícula. Y el gran avance del equipo es mostrar que estas simulaciones reproducen la forma en que se comportan los electrones reales en los materiales reales.

En otras palabras, esto es evidencia de que los electrones libres implementan naturalmente el algoritmo de búsqueda de Grover cuando se mueven por la superficie de ciertos cristales.

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Eso tiene implicaciones inmediatas para la computación cuántica. [Este trabajo] puede ser el camino hacia un salto tecnológico serio, mediante el cual el experimentador pasaría por alto la necesidad de una computadora cuántica escalable y correctora de errores, y tomaría el atajo de buscar 'sucesos naturales' de la búsqueda de Grover, en su lugar, dice el equipo.

El trabajo también tiene implicaciones para nuestro pensamiento sobre el código genético y el origen de la vida. Todos los seres vivos de la Tierra utilizan el mismo código, en el que el ADN almacena información utilizando cuatro bases de nucleótidos. Las secuencias de nucleótidos codifican información para construir proteínas a partir de un alfabeto de 20 aminoácidos.

Pero, ¿por qué estos números, cuatro y 20, y no algunos otros? Allá por el año 2000, solo unos años después de que Grover publicara su trabajo, Apoorva Patel del Instituto Indio de Ciencias en Bangalore mostró cómo el algoritmo de Grover podría explicar estos números .

La idea de Patel está relacionada con la forma en que se ensambla el ADN dentro de las células. En esta situación, la maquinaria molecular dentro de una célula debe buscar a través de la sopa molecular de bases de nucleótidos para encontrar la correcta. Si hay cuatro opciones, una búsqueda clásica toma cuatro pasos en promedio. Entonces, la maquinaria tendría que probar cuatro bases diferentes durante cada paso de ensamblaje.

Pero una búsqueda cuántica usando el algoritmo de Grover es mucho más rápida: Patel demostró que cuando hay cuatro opciones, una búsqueda cuántica puede distinguir entre cuatro alternativas en un solo paso. De hecho, cuatro es el número óptimo.

Este pensamiento también explica por qué hay 20 aminoácidos. En el ADN, cada conjunto de tres nucleótidos define un solo aminoácido. Entonces, la secuencia de tripletes en el ADN define la secuencia de aminoácidos en una proteína.

Pero durante el ensamblaje de proteínas, cada aminoácido debe elegirse de una sopa de 20 opciones diferentes. El algoritmo de Grover explica estos números: una búsqueda cuántica de tres pasos puede encontrar un objeto en una base de datos que contiene hasta 20 tipos de entradas. Una vez más, 20 es el número óptimo.

En otras palabras, para que los procesos de búsqueda involucrados en el ensamblaje del ADN y las proteínas sean lo más eficientes posible, el número de bases debe ser cuatro y el número de aminoácidos debe ser 20, exactamente como se encuentra. La única salvedad es que las búsquedas deben ser de naturaleza cuántica.

Cuando Patel publicó su idea, los físicos cuánticos inmediatamente la despreciaron. En ese momento, estaban empantanados en sus propios intentos de controlar los procesos cuánticos, lo que solo podían hacer aislando partículas cuánticas en entornos extremos, como temperaturas cercanas al cero absoluto.

El problema obvio, dijeron, era que los seres vivos operan en un entorno cálido y desordenado en el que los estados cuánticos se destruirían de inmediato.

Los biólogos fueron igualmente desdeñosos, diciendo que los procesos cuánticos posiblemente no podrían estar funcionando dentro de los seres vivos.

Desde entonces, ha surgido un creciente cuerpo de evidencia de que los procesos cuánticos juegan un papel importante en una serie de mecanismos biológicos. La fotosíntesis, por ejemplo, ahora se piensa que es un proceso esencialmente cuántico.

El trabajo de Guillet y compañía arroja una nueva perspectiva sobre todo esto. Sugiere que el algoritmo de Grover no solo es posible en ciertos materiales; parece ser una propiedad de la naturaleza. Y si eso es cierto, entonces las objeciones a las ideas de Patel comienzan a desmoronarse.

Puede ser que la vida sea solo un ejemplo de la búsqueda cuántica de Grover en acción, y que este algoritmo sea en sí mismo una propiedad fundamental de la naturaleza. Esa es una gran idea si alguna vez hubo una.

Ref: arxiv.org/abs/1908.11213 : La búsqueda de Grover como un fenómeno natural

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