{"id":2905,"date":"2025-06-23T12:39:33","date_gmt":"2025-06-23T15:39:33","guid":{"rendered":"https:\/\/icc.fcen.uba.ar\/?p=2905"},"modified":"2025-07-21T11:02:23","modified_gmt":"2025-07-21T14:02:23","slug":"computacion-cuantica-grandes-preguntas-pendientes","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/icc.fcen.uba.ar\/en\/computacion-cuantica-grandes-preguntas-pendientes\/","title":{"rendered":"Computaci\u00f3n Cu\u00e1ntica: grandes preguntas pendientes"},"content":{"rendered":"

Investigadores del ICC se enfrentan a problemas que requieren desarrollar mediciones complejas para caracterizar los sistemas cu\u00e1nticos. En esta nota exploramos algunos proyectos destacados.<\/b><\/p>\n

Los sistemas cu\u00e1nticos presentan grandes interrogantes y dilemas que se centran en la naturaleza fundamental de la realidad, la conexi\u00f3n entre el mundo cu\u00e1ntico y el mundo cl\u00e1sico, y las posibles aplicaciones de la tecnolog\u00eda cu\u00e1ntica. En resumen, la f\u00edsica cu\u00e1ntica nos presenta una realidad donde las part\u00edculas pueden estar en m\u00faltiples lugares a la vez, y la medici\u00f3n parece forzar una elecci\u00f3n, lo que plantea preguntas sobre la naturaleza de la realidad y la transici\u00f3n a la realidad cl\u00e1sica.\u00a0<\/span><\/p>\n

\u00bfQu\u00e9 es la medici\u00f3n en un sistema cu\u00e1ntico, c\u00f3mo puede representarse esa informaci\u00f3n compleja a trav\u00e9s de principios informacionales b\u00e1sicos y c\u00f3mo se caracterizan estos sistemas desde la teor\u00eda computacional?<\/b> Son algunas de las preguntas claves que atraviesa hoy la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica.<\/span><\/p>\n

Para abordar estas cuestiones, <\/span>el grupo de Cu\u00e1ntica del ICC<\/b> (QuICC) est\u00e1 investigando en computaci\u00f3n te\u00f3rica y fundamentos de matem\u00e1tica, particularmente con la complejidad de Kolmogorov: en este caso se busca cuantificar la cantidad de informaci\u00f3n contenida en un estado, \u00fatil para entender fen\u00f3menos como las correlaciones cu\u00e1nticas y la transmisi\u00f3n de informaci\u00f3n (<\/span>ver nota anterior del ICC<\/span><\/a>).<\/span><\/p>\n

\u201c<\/span>Un resultado relevante que tuvimos fue en el problema abierto de las bases no sesgadas, que se relaciona con el principio de incertidumbre de Heinsenberg, el cual afirma que no se puede determinar la posici\u00f3n y la velocidad de una part\u00edcula al mismo tiempo. Como esto se puede generalizar a otros sistemas, en esta generalizaci\u00f3n aparecen las bases no sesgadas, que implican que si uno determina el estado del sistema en una base destru\u00eds toda la informaci\u00f3n sobre el estado del sistema en otra<\/span><\/i>\u201d, puntualiza <\/span>Ariel Bendersky<\/b>, investigador del ICC y doctor en ciencias f\u00edsicas de la UBA.<\/span><\/p>\n

Bendersky trabaja actualmente en el grupo junto a los investigadores formados Santiago Figueira, Guido Bellomo y los investigadores en formaci\u00f3n Santiago Cifuentes y Nicol\u00e1s Ciancaglini. Adem\u00e1s integran este grupo Gustavo Bosyk (investigador formado) junto a Franco Meroi, Patricio Bruno (investigadores en formaci\u00f3n) y Martin Santesteban (becario BIICC).<\/span><\/p>\n

En este contexto, la dimensi\u00f3n de un sistema cu\u00e1ntico est\u00e1 asociada a la cantidad de respuestas distintas que un sistema puede dar cuando se le mide una propiedad. Existen propiedades que proveen informaci\u00f3n independiente de otras propiedades. Saber cu\u00e1ntas de estas propiedades mutuamente independientes existen es clave para poder determinar el m\u00ednimo n\u00famero de mediciones distintas necesarias para caracterizar un sistema cu\u00e1ntico.<\/span><\/p>\n

\u201c<\/span>Esa pregunta que est\u00e1 abierta para casi cualquier dimensi\u00f3n del sistema de estudio, s\u00f3lo se sabe para potencias de n\u00fameros primos pero nuestro grupo pudo demostrar que existe un algoritmo para encontrar el n\u00famero exacto de ese tipo de bases que hay en una dimensi\u00f3n<\/span><\/i>\u201d, aclara el investigador.<\/span><\/p>\n

Si bien ese algoritmo tarda mucho y no tiene sentido programarlo, es un algoritmo que permite, en teor\u00eda, encontrar el m\u00e1ximo n\u00famero de medidas independientes que existen sobre un sistema en el que la informaci\u00f3n que se obtiene es completamente complementaria, tiene poca redundancia y es m\u00e1s eficiente, ya que com\u00fanmente la dependencia de estos sistemas lleva a que cuando se hace una medici\u00f3n (X) destruye completamente el resultado de otra (Y).<\/span><\/p>\n

Un ejemplo simple podr\u00eda ser la bolsa de compras, donde espec\u00edficamente tenemos manzanas, peras y bananas y en conjunto son frutas. Si de esa bolsa queremos saber el peso de cada una de las frutas (manzanas, peras, bananas) y el peso de las frutas en general, esas cuatro mediciones no son independientes. Porque la medici\u00f3n de cu\u00e1ntas frutas incluye de alguna manera a las otras. Esto mismo se puede entender en los sistemas cu\u00e1nticos, por lo que hacer mediciones complementarias brinda m\u00e1s informaci\u00f3n sobre el sistema.\u00a0\u00a0<\/span><\/p>\n

En este sentido, Bendersky comenta que publicaron un <\/span>preprint<\/span><\/i> cient\u00edfico con los resultados preliminares (\u201c<\/span>Towards exact algorithmic proofs of maximal mutually unbiased bases sets in arbitrary integer dimension<\/span><\/a>\u201d) pero un problema pendiente de resolver es que a\u00fan no pudieron demostrar cu\u00e1ntas de estas medidas existen en dimensiones que no son potencias de un n\u00famero primo.\u00a0<\/span><\/p>\n

\u201c<\/span>La dimensi\u00f3n m\u00e1s chica que es interesante es dimensi\u00f3n seis (<\/span><\/i>el n\u00famero de respuestas diferentes que puede dar el sistema ante una pregunta)<\/span> porque es el n\u00famero m\u00e1s peque\u00f1o que no es la potencia de un primo. Entonces, el algoritmo que encontramos funciona para saber cu\u00e1ntas hay, pero tarda demasiado. Aun as\u00ed, el hecho de encontrar una demostraci\u00f3n algor\u00edtmica es un resultado nuevo y deja abierta la puerta a mejorarlo, porque hasta ahora lo que se hac\u00eda para para tratar de encontrar estas medidas independientes eran b\u00fasquedas num\u00e9ricas que no tienen esta certeza de demostraci\u00f3n<\/span><\/i>\u201d.<\/span><\/p>\n

Comprendiendo la tomograf\u00eda de los estados cu\u00e1nticos<\/b><\/p>\n

La tomograf\u00eda de estados cu\u00e1nticos, o QST (<\/span>Quantum State Tomography<\/span><\/i>), es una t\u00e9cnica que permite reconstruir el estado cu\u00e1ntico de un sistema mediante mediciones repetidas. En este punto, se prepara el estado cu\u00e1ntico que se quiere reconstruir, se realizan una serie de mediciones sobre este estado -cada una de las cuales proporciona informaci\u00f3n parcial sobre el estado- y los resultados de las mediciones se utilizan para reconstruir el estado cu\u00e1ntico completo mediante algoritmos matem\u00e1ticos.\u00a0<\/span><\/p>\n

\u201c<\/span>Usualmente tenemos una \u2018caja negra\u2019 a la que le entran sistemas cu\u00e1nticos y salen esos mismos sistemas modificados. Lo que queremos saber usando esta t\u00e9cnica es qu\u00e9 transformaci\u00f3n hace la caja, para eso es necesario hacer una tomograf\u00eda del proceso de la caja. Que no tiene nada que ver con la medicina, sino que son mediciones f\u00edsicas para caracterizar completamente el estado<\/span><\/i>\u201d, describe Bendersky.<\/span><\/p>\n

En este caso, la cu\u00e1ntica tiene una particularidad fundamental. \u201c<\/span>Si uno tiene copias de un sistema cu\u00e1ntico, se pueden hacer m\u00e1s mediciones juntas que si tuviera las dos copias por separado. Uno puede medir correlaciones entre los sistemas, para caracterizar sistemas que son mejores que us\u00e1ndolos individualmente<\/span><\/i>\u201d, afirma el investigador.<\/span><\/p>\n

Ante la pregunta sobre para qu\u00e9 sirven estas copias id\u00e9nticas del sistema, Bendersky explica que por este mismo principio de incerteza, cuando uno le mide una propiedad a un sistema cu\u00e1ntico, est\u00e1 rompiendo muchas otras propiedades (por ejemplo si se mide la velocidad se rompe la posici\u00f3n).<\/span><\/p>\n

\u201c<\/span>De este modo, la t\u00e9cnica para determinar el estado del sistema que estamos usando para sistemas continuos, es tomar muchas copias id\u00e9nticas del mismo sistema: a una le mido posici\u00f3n, a otra le mido velocidad, a otra le mido otra propiedad y as\u00ed se reconstruye. La diferencia es que lo que estamos tratando de hacer nosotros es en lugar de a una medirle en posici\u00f3n, a otra velocidad, etc. es tomarlas todas juntas y hacer una medici\u00f3n conjunta. Y esto es algo que no tiene un an\u00e1logo cl\u00e1sico, pero las mediciones conjuntas en cu\u00e1ntica nos permiten notar mucha m\u00e1s informaci\u00f3n que si medimos por separado<\/span><\/i>\u201d.<\/span><\/p>\n

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Dr. Ariel Bendersky<\/p><\/div>\n

En s\u00edntesis, los investigadores desarrollaron algunos algoritmos para hacer tomograf\u00eda de estados y de procesos en sistemas de variable continua y de dimensi\u00f3n infinita. Los resultados principales m\u00e1s recientes est\u00e1n publicados en estos <\/span>papers<\/span><\/i>: \u201c<\/span>Selective continuous-variable quantum process tomography<\/span><\/a>\u201d & \u201c<\/span>Selective quantum state tomography for continuous-variable systems<\/span><\/a>\u201d.<\/span><\/p>\n

Estos avances resultan muy \u00fatiles para la comprensi\u00f3n y el desarrollo de la tecnolog\u00eda cu\u00e1ntica, ya que proveen un protocolo que consiste en implementar un algoritmo exacto, ya sea para los experimentos en f\u00edsica como en hardware cu\u00e1ntico.\u00a0\u00a0<\/span><\/p>\n

\u201c<\/span>Nuestros algoritmos de tomograf\u00eda de estados y de procesos son precisamente para eso, para caracterizar efectivamente con un protocolo qu\u00e9 es lo que est\u00e1 pasando en su laboratorio, en su mesa \u00f3ptica por ejemplo, y no confundirse con qu\u00e9 es lo que uno quiere implementar que no siempre coincide con lo que realmente se implementa por varios errores de calibraci\u00f3n o ruido t\u00e9rmico<\/span><\/i>\u201d, complementa Bendersky.<\/span><\/p>\n

Y resume que el problema de tomograf\u00eda de estados y procesos no es interesante para experimentos de un sistema cl\u00e1sico, porque se pueden medir todas las propiedades sin problemas aparentes mientras que es muy interesante y relevante en cu\u00e1ntica: \u201c<\/span>Medir una cosa te rompe otra y medir en dos copias de un sistema te provee m\u00e1s informaci\u00f3n que medirlas por separado. Ah\u00ed es donde claramente se vuelve interesante y eso es lo que buscamos desentra\u00f1ar en el mundo cu\u00e1ntico<\/span><\/i>\u201d, concluye el investigador del ICC.<\/span><\/p>\n

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En lugar de \u201csupremac\u00eda cu\u00e1ntica\u201d es preferible usar \u201cventaja cu\u00e1ntica\u201d<\/b><\/p>\n

En 2019 la revista Nature public\u00f3 una<\/span> interesante nota de opini\u00f3n<\/span><\/a> de investigadores referentes, donde se critica fuertemente el uso del t\u00e9rmino \u201csupremac\u00eda cu\u00e1ntica\u201d frente a un contexto de \u201chype publicitario\u201d. En este sentido la exagerada expectativa y publicidad que rodea a la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, se manifiesta tambi\u00e9n en el lenguaje, a menudo presentando a la tecnolog\u00eda como una soluci\u00f3n r\u00e1pida para todos los problemas, cuando en realidad a\u00fan se encuentra en una etapa temprana de desarrollo y tiene desaf\u00edos t\u00e9cnicos importantes.<\/span><\/p>\n

Al respecto, Ariel Bendersky aclara que fue uno de los adherentes de esta nota, ya que coincide con esta visi\u00f3n cr\u00edtica.<\/span><\/p>\n

En particular el art\u00edculo se\u00f1ala: \u201cDiscrepamos del uso del t\u00e9rmino \u00absupremac\u00eda\u00bb al referirse a las computadoras cu\u00e1nticas que pueden superar en capacidad de c\u00e1lculo incluso a las supercomputadoras m\u00e1s r\u00e1pidas. Consideramos irresponsable ignorar el contexto hist\u00f3rico de este descriptor, ya que corre el riesgo de mantener divisiones de raza, g\u00e9nero y clase. Exigimos a la comunidad que utilice \u00abventaja cu\u00e1ntica\u00bb en su lugar.<\/span><\/p>\n

Un sector de la comunidad afirma que la supremac\u00eda cu\u00e1ntica es un t\u00e9rmino t\u00e9cnico con un significado espec\u00edfico. Sin embargo, cualquier justificaci\u00f3n t\u00e9cnica de este t\u00e9rmino podr\u00eda quedar empantanada al entrar en la escena p\u00fablica, tras la intensa cobertura medi\u00e1tica de los \u00faltimos meses.<\/span><\/p>\n

En nuestra opini\u00f3n, la \u00absupremac\u00eda\u00bb tiene connotaciones de violencia, neocolonialismo y racismo, debido a su asociaci\u00f3n con la \u00absupremac\u00eda blanca\u00bb. El lenguaje inherentemente violento tambi\u00e9n se ha infiltrado en otras ramas de la ciencia. En los vuelos espaciales tripulados y rob\u00f3ticos, por ejemplo, t\u00e9rminos como \u00abconquista\u00bb, \u00abcolonizaci\u00f3n\u00bb y \u00abasentamiento\u00bb evocan los argumentos de terra nullius del colonialismo de asentamiento y deben contextualizarse frente a los problemas actuales del neocolonialismo. En cambio, la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica deber\u00eda ser un espacio abierto y una inspiraci\u00f3n para una nueva generaci\u00f3n de cient\u00edficos\u201d.<\/span><\/p>\n<\/blockquote>\n<\/div><\/div><\/div><\/div><\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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