La gente ha realizado muchas pruebas matemáticas para demostrar que una computadora cuántica superará ampliamente a las computadoras tradicionales en una serie de algoritmos. Pero las computadoras cuánticas que tenemos hoy son propensas a errores y no tienen suficientes qubits para permitir la corrección de errores. Las únicas demostraciones que hemos tenido involucran hardware de computación cuántica que evoluciona desde una configuración aleatoria y computadoras tradicionales incapaces de simular su comportamiento normal. Los cálculos útiles son un ejercicio para el futuro.
Pero un nuevo artículo del grupo de computación cuántica de Google ahora ha ido más allá de ese tipo de demostraciones y utilizó una computadora cuántica como parte de un sistema que puede ayudarnos a comprender los sistemas cuánticos en general, en lugar de la computadora cuántica. Y muestran que, incluso en el hardware actual propenso a errores, el sistema puede superar a las computadoras convencionales en el mismo problema.
Sondeo de sistemas cuánticos
Para comprender lo que implica el nuevo trabajo, es útil dar un paso atrás y pensar en cómo entendemos generalmente los sistemas cuánticos. Dado que el comportamiento de estos sistemas es probabilístico, generalmente necesitamos medirlos repetidamente. Los resultados de estas mediciones luego se importan a una computadora convencional, que los procesa para generar una comprensión estadística del comportamiento del sistema. Con una computadora cuántica, en cambio, es posible reflejar un estado cuántico utilizando los propios qubits, reproducirlo tantas veces como sea necesario y manipularlo si es necesario. Este método tiene el potencial de proporcionar una ruta hacia una comprensión más directa del sistema cuántico en cuestión.
Gran parte del artículo está dedicado a describir situaciones en las que este debería ser el caso, en parte ampliando las ideas descritas en artículos anteriores.
La primera de estas ideas describe ciertas propiedades de un sistema cuántico que involucra un número arbitrario de elementos, como una computadora cuántica con n qubits. Esta es exactamente la circunstancia descrita anteriormente, donde se deben realizar mediciones repetidas antes de que una computadora convencional pueda identificar una propiedad de manera confiable. Por el contrario, una computadora cuántica puede almacenar una copia del sistema en su memoria, lo que permite duplicarlo y procesarlo repetidamente.
Estos problemas, muestran los autores, se pueden resolver en una computadora cuántica en lo que se llama tiempo polinomial, donde el número de qubits se eleva a una potencia constante (indicada como nk). Usando hardware clásico, por otro lado, el tiempo evoluciona como una constante elevada a la potencia relacionada con el número de qubits. A medida que aumenta la cantidad de qubits, el tiempo requerido para el hardware clásico aumenta mucho más rápido.
Opciones dos y tres
La segunda tarea que identifican es un análisis de componentes principales cuánticos, donde se utilizan computadoras para identificar la propiedad que tiene la mayor influencia en el comportamiento del sistema cuántico. Esto se eligió en parte porque este análisis se considera relativamente insensible al ruido introducido por errores en los procesadores cuánticos actuales. Matemáticamente, el equipo muestra que la cantidad de veces que necesitaría repetir las mediciones para el análisis en un sistema clásico aumenta exponencialmente con la cantidad de qubits. Mediante el uso de un sistema cuántico, el análisis se puede realizar con un número constante de repeticiones.
El estado final es permitir que un proceso físico influya en el estado de un sistema cuántico, haciendo que evolucione hacia un nuevo estado. El objetivo es encontrar un modelo del proceso que pueda predecir con precisión cuál sería el nuevo estado. Nuevamente, usar un sistema clásico significa que el desafío de obtener suficientes medidas aumenta exponencialmente con la cantidad de qubits, pero aumenta mucho más lentamente cuando se usa la computación cuántica.
¿Por qué una computadora cuántica funciona mucho mejor? Los investigadores dicen que un paso clave es almacenar dos copias del sistema que se está examinando y luego entrelazarlas. Este método es algo que solo es posible en hardware cuántico.
