Investigadores desarrollan novedosos aportes en fundamentos de cuántica

Desde el Instituto de Ciencias de la Computación (ICC) se impulsan investigaciones en Teoría de la Computación, un área esencial que se ocupa de determinar qué problemas pueden ser resueltos computacionalmente y con qué eficiencia.

Dentro de esta línea de trabajo, algunos investigadores conjugan las ciencias de la computación con las ciencias físicas y avanzan progresivamente tanto en los fundamentos de la teoría cuántica como en sus aplicaciones para el procesamiento de información.

Ahora bien, ¿qué es la computación cuántica? Se trata de una forma radicalmente nueva de procesar la información, posibilitada por propiedades exclusivas de la física cuántica tales como la superposición de estados (que origina el denominado paralelismo cuántico) y la existencia de correlaciones sin análogo clásico (entrelazamiento y correlaciones cuánticas no locales). A diferencia de las computadoras de hoy en día, su funcionamiento no es digital. La ventaja de estas propiedades es que permitirían resolver ciertos problemas que resultan muy difíciles para la computación actual.

“Las propiedades de mecánica cuántica permiten que cuando uno usa sistemas cuánticos para procesamiento de la información disponga de ciertas herramientas físicas no disponibles en el mundo macroscópico al que estamos habituados”, señala Ariel Bendersky, investigador del grupo de Lógica y Computabilidad del ICC.

Cuando en una computadora “clásica” se habla de un registro o memoria, ese registro está en un estado particular que almacena un número. En cambio, en una computadora cuántica, un registro puede estar en una superposición coherente de todos los números posibles. Es decir que en lugar de estar calculando sobre un solo número, se hacen operaciones en paralelo sobre muchos números al mismo tiempo.  En una computadora clásica la unidad de información se llama «bit» y puede tener el valor de 0 ó 1. Su equivalente cuántico opera con «qubits» o bits cuánticos, lo que quiere decir que pueden estar en cualquier combinación de 0 y 1 al mismo tiempo.

“Esto es lo mismo que una partícula, por ejemplo un electrón, que puede estar en muchos lugares a la vez. Uno podría estar usando las distintas posiciones de una partícula para codificar el 0 o el 1. Como la partícula puede estar en una superposición de distintas posiciones, se podría interpretar como estar en el 0 y 1 al mismo tiempo. Esa memoria puede estar en una superposición de estados”, puntualiza Bendersky. A partir de las explicaciones que los investigadores encuentran en temas de fundamentos de cuántica, se desarrollan algoritmos más eficientes para ciertas tareas de la computación.

Uno de los aportes más conocidos que tienen una solución eficiente en cuántica (y no así en computación clásica) es la factorización. Consiste en la búsqueda de los factores primos de un número natural, es decir de números más pequeños que sólo son divisibles por 1 y por si mismos. El problema se complejiza cuando se trata de un número de muchos dígitos, que hace que la cantidad de pasos necesarios para encontrar los factores aumente exponencialmente con la cantidad de dígitos del número a factorizar.

Otro problema difícil es el de la aleatoriedad, comúnmente conocida como “azar”. Para algunos algoritmos cuánticos se suele asumir que la aleatoriedad es un recurso disponible para hacer experimentos. Típicamente es una “moneda perfecta”, que sirve para diferentes tareas. “El problema con la aleatoriedad es que no se puede demostrar que una fuente o un sistema que genera bits es aleatorio. Esto es una certeza matemática. Uno puede tirar una moneda o utilizar la aleatoriedad que le proveen los sistemas cuánticos. Pero a partir de resultados experimentales uno no puede concluir que eso es aleatorio. Lo cual provoca que a pesar de que uno crea que una secuencia es aleatoria, en el fondo es una creencia porque uno no puede hacer un experimento para certificar la aleatoriedad. Por este motivo, resulta valioso el uso de pseudoaleatoriedad para estudiar nuevas propiedades de un sistema computacional”, aporta el investigador del ICC.

Premio Paul Ehrenfest

En el contexto de estos aportes, los investigadores del ICC recibieron el premio Paul Ehrenfest al mejor paper de fundamentos de cuántica del año 2016. El trabajo de Ariel Bendersky (ICC), Santiago Figueira (ICC), Gabriel Senno (ICFO), Gonzalo de la Torre (ICFO) y Antonio Acín (ICFO), se titula “Pseudoaleatoriedad algorítmica en diseños experimentales cuánticos” y fue publicado el año pasado en Physical Review Letters.

El trabajo argumenta que los experimentos cuánticos que requieren aleatoriedad muestran un comportamiento diferente dependiendo de si se usa pseudoaleatoriedad producida por máquinas de Turing o aleatoriedad verdadera. Para probar su teoría, los autores identifican situaciones donde mezclas de estados cuánticos que definen el mismo estado mixto se pueden distinguir cuando son preparados por una computadora.

¿Qué aplicaciones tiene estos aportes de computación cuántica?

“Usamos herramientas de computación teórica (de computabilidad y aleatoriedad) para estudiar qué consecuencias existen en fundamentos de mecánica cuántica o de procesamiento cuántico de información. Por un lado, produce avances concretos en la criptografía, logrando comunicaciones y transacciones más seguras. Por otro lado, cuando se descubren correlaciones fuertes entre dos o más partes de un sistema, como es el caso de cuántica, puede servir para comunicar muchas computadoras entre sí, es decir, para cómputo distribuido”, aclara Bendersky. Al mismo tiempo, estos avances en computación cuántica servirán para resolver operaciones complejas en un menor tiempo que la computación clásica y para simular reacciones químicas o predecir propiedades de la materia.

Recientemente se publicó la noticia de que en diversos laboratorios del mundo se está construyendo una gran computadora cuántica. ¿Qué hay de cierto en esto?

“Es importante desmitificar estas noticias sensacionalistas. No es que ya haya un plano de una computadora cuántica o que se sepa cómo se va a construir realmente. Lo que se está haciendo en muchos lugares del mundo es invertir enormes sumas de dinero para encontrar una manera de construir una computadora cuántica. Esta tarea es sumamente desafiante ya que, por sus propiedades físicas, cuando los sistemas cuánticos interactúan con el entorno colapsan y se empiezan a comportar como sistemas clásicos. Aislar más de mil Qubits de su entorno es dificilísimo. Por ese motivo recién se está investigando cómo se implementarían tecnológicamente los Qubits y, puntualmente, cómo debería ser ese sistema para que funcione bien y resulte escalable”, concluye el investigador.