20/07/2011 - Computación cuántica. Crean un número masivo de qubits entrelazados

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Un equipo de investigación de la Universidad de Virginia, en Estados Unidos, ha dado un paso más en el camino hacia el ordenador cuántico con la creación de un número masivo de qubits entrelazados. Este avance podría mejorar las capacidades de los superordenadores actuales, permitiendo, por ejemplo, crear métodos de encriptación más seguros o comprender los principios que rigen sistemas tan complejos como las moléculas biológicas. Por Elena Higueras.

Un ordenador que operase con los principios más complejos de la mecánica cuántica sería capaz de realizar cálculos específicos con capacidades que van mucho más allá de las que poseen actualmente los superordenadores más modernos y avanzados. Por ejemplo, podría utilizarse para descifrar códigos de seguridad o para realizar simulaciones de sistemas cuánticos muy pesadas, con un gran nivel de detalle. Pero no sólo eso.

También podría ser utilizado para aplicar principios precisos de física en la comprensión de los pequeños detalles de las interacciones de las moléculas en los sistemas biológicos. Incluso, ayudaría a los científicos a desentrañar algunos de los mayores misterios del funcionamiento del universo, proporcionando una forma de probar la mecánica cuántica.

Un equipo como éste existe en la teoría, pero no en la práctica. Para construir un ordenador cuántico, hay que crear y controlar con precisión las distintas unidades de información cuántica, llamadas qubits.

Un bit cuántico o qubit es una unidad de información cuántica, el análogo cuántico del clásico bit en los ordenadores digitales, pero mucho más frágil, ya que es un componente microscópico de la materia, por lo que es muy difícil separarlo de su entorno. El desafío consiste en aumentar el número de qubits en un registro cuántico de tamaño práctico. En particular, los qubits se deben crear en conjuntos precisos o correlaciones físicas no locales, llamadas estados entrelazados.

Olivier Pfister, un profesor de física en la Universidad de las Artes y las Ciencias de Virginia, en Estados Unidos, ha conseguido ahora crear un número masivo de qubits entrelazados, más concretamente, una variante de varios niveles del mismo llamado ‘Qmodes’, informa la revista Physical Review Letters en un artículo, del que se ha hecho eco también Science Daily.

¿Cara o cruz?

Para explicar cómo funciona un ordenador cuántico, el artículo recurre a una experiencia cotidiana: imaginemos a dos personas que lanzan una moneda al aire, cada una por su cuenta, y registran los resultados obtenidos. Al comparar los datos después de varios lanzamientos, descubren que siempre obtienen los mismos resultados. En los laboratorios de física estas correlaciones son observadas rutinariamente en los sistemas cuánticos, y forman el núcleo de funcionamiento de un procesador cuántico.

Pfister y los investigadores de su laboratorio utilizaron sofisticados láseres para manipular quince grupos de cuatro Qmodes entrelazados cada uno, para un total de 60 Qmodes medibles, la mayor cantidad jamás creada. El equipo cree que puede haber creado más de 150 grupos, o 600 Qmodes, pero sólo pudo medir 60 con las técnicas que utilizó.

Cada Qmode es un color bien definido del campo electromagnético. En lugar de medir monedas lanzadas al aire, los resultados de la medición de Qmode son el número de las partículas cuánticas de la luz (fotones) presentes en el campo. Para crear un ordenador cuántico serían necesarios cientos de miles de Qmodes.

Peines de luz

El grupo de Pfister utiliza un láser exótico llamado oscilador paramétrico óptico, que emite campos electromagnéticos cuánticos entrelazados (Qmodes) en un arco iris de colores equidistantes denominado "peine de frecuencias ópticas" o “peine de luz”.

Este tipo de láseres ha revolucionado la ciencia de la medida, llamada metrología, y ha allanado el camino a varios avances tecnológicos. Los inventores del peine de frecuencias ópticas, los físicos John Hall (del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) y Theodor Hänsch (del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica) se llevaron la mitad del Premio Nobel de Física de 2005 por sus logros (la otra mitad fue para Roy Glauber, uno de los padres de la óptica cuántica).

Con sus experimentos, el grupo de Pfister ha completado un paso importante para confirmar una de sus pruebas teóricas anteriores: que la versión cuántica del peine de frecuencias ópticas podría ser utilizada para crear un ordenador cuántico.

"Algunos problemas matemáticos, como factorizar números enteros o resolver la ecuación de Schrödinger para modelar sistemas de física cuántica, pueden ser extremadamente difíciles de superar. En algunos casos la dificultad es exponencial, lo que significa que el tiempo de cálculo se duplica por cada incremento finito de la magnitud del número entero o del sistema”, advierte Pfister, aunque matiza que esto sólo es válido para la computación clásica, ya que la cuántica fue descubierta para mantener la promesa revolucionaria de acelerar exponencialmente esas tareas con cálculos sencillos.

Implicaciones sociales y científicas

"Esto podría tener enormes implicaciones sociales, como la actualización de los métodos de encriptación de datos obsoletos, y también científicas, como por ejemplo, la apertura a nuevas posibilidades de calcular los principios de sistemas muy complejos como las moléculas biológicas", vaticina Pfister.

Según el profesor, el azar juega un papel más importante en la evolución cuántica que en la evolución clásica. La aleatoriedad no es un obstáculo para las predicciones deterministas y el control de los sistemas cuánticos, pero limita la forma en que la información puede ser codificada y leída por los qubits.

"A medida que la información cuántica se ha ido entendido mejor, estos límites se han ido eludiendo mediante el entrelazamiento cuántico, correlaciones cuánticas entre los sistemas que se comportan de forma aleatoria, de forma individual. Por lo que sabemos, este entrelazamiento es en realidad el motor de la velocidad exponencial en la computación cuántica", concluye el principal autor del estudio.

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