El sistema, bautizado como Borealis, está diseñado para una sola tarea, pero da un nuevo paso hacia los ordenadores cuánticos
La principal promesa de los ordenadores cuánticos es que podrán realizar en tan solo segundos cálculos que al mejor superordenador del mundo le costarían años, siglos e incluso milenios. Y, aunque aún estamos lejos de conseguir un ordenador cuántico 'multifunción', ya existen equipos cuánticos que pueden realizar tareas muy específicas mucho mejor que las computadoras clásicas. Ahora, un equipo canadiense capitaneado por Jonathan Lavoie ha conseguido crear un procesador fotónico cuántico, llamado Borealis, capaz de resolver en 36 microsegundos un problema que al ordenador más avanzado le llevaría más de 9.000 años completar. Las conclusiones acaban de publicarse en un estudio en ' Nature'.
Se trata de un nuevo caso de 'ventaja cuántica' (también llamada ' supremacía cuántica'): la demostración práctica de que la computación cuántica puede superar ampliamente el desempeño de la computación clásica, que resulta totalmente ineficaz en tareas como la factorización -lo que podría poner en jaque toda la base de la ciberseguridad actual- o la química cuántica -con la que se podrán simular moléculas y elaborar, entre otras cosas, fármacos más eficaces-.
Los sistemas más utilizados en computación cuántica están basados en cúbits superconductores (utilizados en los procesadores de Google, primero en proclamar el hito, no sin controversia) y en circuitos ópticos de muestreo de bosones, que emplean una extraña propiedad cuántica de las partículas de luz (fotones), que viajan aleatoriamente en diferentes direcciones dentro de un circuito. Este último es el sistema elegido por el equipo de Lavoie, quien ha bautizado su procesador fotónico cuántico con el nombre de Borealis.
'Adivinar' el camino de los fotones
Este circuito es, simplificando casi hasta el extremo, como una máquina de Galton: imaginemos un tablero vertical con varias filas de clavos. Desde arriba, caen bolas que rebotan sobre los clavos, llevando a las pelotas hacia un camino u otro de forma aleatoria hasta alcanzar la parte inferior del tablero. En el muestreo de bosones, las bolas serían los fotones (que son un tipo de bosón) y, los clavos, dispositivos ópticos o espejos, que hacen que la luz se propague en diferentes direcciones.
Sin embargo, las 'pelotas' de luz cuántica no se comportan igual que las bolas físicas: los fotones poseen una extraña propiedad que se muestra cuando viajan a través de un divisor de haz (un espejo de los anteriores), que divide un solo rayo en dos que se propagan en diferentes direcciones. De forma paralela, si dos fotones idénticos golpean el espejo exactamente al mismo tiempo, no se separan entre sí y viajan en la misma dirección. Es decir, como si esas bolas físicas pudieran, en cada encuentro con un espejo, multiplicarse en dos o, en caso de llegar al mismo a la vez, convertirse en una sola.
Predecir el camino de los fotones (es decir, contar cuántos fotones llegan a cada detector) sería una ardua cuestión para un ordenador clásico: las múltiples combinaciones hacen casi imposible esta tarea. Sin embargo, para un dispositivo cuántico sería una cuestión sencilla de resolver. En concreto, a Borealis le lleva esta tarea 35 microsegundos. «Esta ventaja de tiempo de ejecución es más de 50 millones de veces mayor que la reportada por máquinas fotónicas anteriores», señalan los autores.
No son los primeros, sí los mejores (de momento)
No se trata de un experimento nuevo: anteriores equipos han conseguido llevarlo a cabo y también proclamar la 'ventaja cuántica'. Pero sí más complejo que los anteriores: estudios previos han llevado a cabo el muestreo de bosones utilizando hasta 113 fotones que se propagan a través de una red de espejos y lentes fijas (que se establecen en su construcción y no pueden ser cambiadas). Borealis es un sistema programable (es decir, que el circuito puede reconfigurarse fácilmente) que detecta hasta 219 fotones (125 de media), casi el doble que su antecesor más eficaz. Para conseguirlo, los investigadores han conseguido simplificar la detección de fotones, además de introducir de forma eficiente la reprogramabilidad y reducir la vulnerabilidad a la 'suplantación de identidad', o la posibilidad de que los mejores soperordenadores clásicos repliquen esta tarea implementando mejoras en su rendimiento.
«No son los primeros investigadores en realizar un experimento de muestreo de bosones gaussianos a gran escala, pero el enfoque del equipo mejora estos logros de manera crucial», señala en un artículo adjunto Daniel Jost Brod, del Instituto de Física de la Federal Fluminense University (Brasil). «El trabajo es un salto adelante para la física cuántica y también resuelve desafíos tecnológicos que podrían acelerar nuestra carrera hacia computadoras cuánticas viables, y que probablemente resulten útiles para otros aspectos del procesamiento de información cuántica».
Sin embargo, Jost indica que la ventaja cuántica «no es un umbral bien definido» y que, a medida que se desarrollen experimentos cuánticos (no solo en sistemas fotónicos, sino también con cúbits superconductores u otros métodos), los ordenadores clásicos también intentarán emularlos. «Y la clásica y la cuántica se estarán continuamente desafiando para alcanzar el primer puesto», señala el físico brasileño. Una carrera en la que las claras vencedoras serán la ciencia y la tecnología. Y el progreso humano.