Velocidades de reloj cuánticas y de luz comprimida

La computadora más rápida del mundo es la supercomputadora Tianhe-2 en el Centro Nacional de Supercomputación en Guangzhou, China. Consta de 16.000 nodos informáticos, cada uno con dos procesadores Intel Ivy Bridge Xeon y tres coprocesadores Xeon Phi. Juntos, estos lo hacen capaz de realizar 33,86 cuatrillones de cálculos de coma flotante por segundo, más que cualquier otra máquina informática del planeta.

Claramente, los recursos disponibles para realizar un cálculo son el factor crucial en su desempeño, y la cantidad de cálculos por segundo es una buena guía para conocer la potencia de una computadora.

Pero cuantificar el poder de una computadora cuántica es mucho más difícil. Estos dispositivos informáticos pueden realizar cálculos que están más allá del alcance de las máquinas de procesamiento ordinarias. Y, sin embargo, los recursos que requieren para hacer este truco son poco conocidos.

Ciertamente, la cantidad de bits cuánticos en juego es crucial, pero también lo es la cantidad de entrelazamiento que implica el cálculo. Y eso lleva a un rompecabezas: algunos tipos de computación cuántica requieren altos niveles de entrelazamiento, mientras que otros no requieren casi nada para hacer cosas similares. Entonces, ¿cuál es el recurso que le da a los cálculos cuánticos su poder especial?

Hoy, recibimos una especie de respuesta gracias al trabajo de Nana Liu en la Universidad de Oxford en el Reino Unido y algunos amigos que han encontrado una manera de evaluar el rendimiento de las computadoras cuánticas utilizando un solo parámetro que funciona como una especie de cuántica. velocidad de reloj. Esto hace posible comparar diferentes tipos de cálculo cuántico en igualdad de condiciones por primera vez.

Primero algunos antecedentes. La idea básica detrás de la computación cuántica es que un objeto cuántico puede existir en una superposición de estados y, por lo tanto, como un 0 y un 1 al mismo tiempo. Esta información se puede combinar con la que lleva otro objeto cuántico para realizar un cálculo. Pero en lugar de un cómputo único, un cálculo cuántico permite que se realicen dos o más cálculos al mismo tiempo, uno para cada uno de los números en superposición.

Ese es el origen de la aceleración posible con las computadoras cuánticas. Y mientras que un bit cuántico puede manejar dos números, dos bits cuánticos pueden manejar cuatro números, tres qubuts ocho números, cuatro qubits 16 números, y así sucesivamente. Entonces, los cálculos cuánticos escalan exponencialmente con la cantidad de qubits.

Pero hay otro factor en esto: la forma en que se combinan y manipulan los qubits. Una forma de hacer esto es entrelazar los qubits. El entrelazamiento es el curioso proceso en el que dos objetos cuánticos se vinculan tan estrechamente que comparten la misma existencia. Entonces, una medición realizada en uno influye instantáneamente en el otro, sin importar cuán lejos esté.

Esto permite realizar cálculos, como la factorización, a velocidades que harían que la Tianhe-2 pareciera una calculadora de bolsillo. (Al menos en teoría. Los físicos aún no han superado los importantes desafíos técnicos en la construcción de poderosas computadoras cuánticas).

Pero en algunos tipos de cálculo cuántico, parece necesario muy poco o ningún entrelazamiento. Un ejemplo notable se llama computación cuántica determinista con un qubit. Esto puede resolver ciertos tipos de cálculo más rápido que cualquier computadora común. Pero nadie sabe cuánto más o menos poderoso se compara este tipo de cálculo con, digamos, la factorización cuántica, porque nunca ha habido una forma de compararlos. Hasta ahora.

Lui y compañía han descubierto una forma completamente nueva de realizar cálculos cuánticos que permite comparar los diferentes tipos de cálculo por primera vez. Su enfoque se basa en un fenómeno llamado compresión cuántica. Esta es una forma de manipular fotones entrelazados para reducir el ruido de vacío de fondo asociado con ellos.

El truco se basa en el principio de incertidumbre de Heisenberg: es posible medir con precisión la posición de un fotón o su momento, pero no ambos al mismo tiempo. Lo mismo es cierto para otras propiedades cuánticas, como la energía y el tiempo o el ángulo y el momento angular: siempre hay una compensación entre conocer una u otra.

Este principio permite a los físicos reducir el ruido asociado con los fotones entrelazados cuando se detectan haciéndolos menos medibles en otros lugares, un proceso conocido como compresión cuántica. Eso es muy importante porque reducir la cantidad de ruido permite que las mediciones sean mucho más precisas. Y la cantidad de compresión es exactamente cuantificable, por lo que es fácil ver cuánto de esta propiedad cuántica está en uso.

Esto le dio a Liu y compañía una idea. Debido a que muchas formas de computación cuántica involucran fotones, reemplazaron los fotones ordinarios con versiones comprimidas. La cuantía involucrada en cada cálculo podría entonces cuantificarse exactamente por la cantidad de compresión requerida para llevarlos a cabo. Liu y compañía lo midieron en qumodes, de ahí el título del artículo.

Los resultados hacen una lectura interesante. Liu y compañía dicen que la computación cuántica determinista con un qubit requiere cero compresión y, por lo tanto, se encuentra en la parte inferior de la jerarquía de velocidades de reloj cuánticas.

Por el contrario, la cantidad de compresión necesaria para la factorización cuántica depende del tamaño del número que se factoriza. De hecho, la cantidad de exprimido aumenta exponencialmente a medida que aumenta el número.

Eso permite comparar por primera vez estas dos formas de computación cuántica. Esto introduce una nueva perspectiva para pensar en las jerarquías en los algoritmos cuánticos, dicen Liu y compañía.

Eso debería ser útil en el futuro. Y hay un corolario interesante que involucra la computación cuántica que ahora realizan organizaciones como Google y la NASA, cortesía de un dispositivo informático vendido por una empresa llamada D-Wave Systems.

Esta máquina utiliza recocido cuántico para computar, pero es muy controvertida. D-Wave insiste en que la máquina es exponencialmente más rápida que las computadoras convencionales para algunos tipos de cálculo. Pero muchos físicos son profundamente escépticos y dicen que carece de la cantidad esencial necesaria para realizar las proezas computacionales reclamadas.

Quizás el nuevo enfoque de compresión cuántica pueda ayudar. Si proporciona una forma justa de comparar el rendimiento de la máquina de D-Wave con otras formas de computación cuántica, entonces este debate podría terminar. Y eso debería permitir decir con certeza si esta técnica alguna vez conducirá a una máquina más poderosa que Tianhe-2.

Ref: arxiv.org/abs/1510.04758 : El poder de un Qumode

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