Se supone que las computadoras cuánticas tienen capacidades mucho más allá de las convencionales, pero verificar que realmente las tienen es sorprendentemente difícil, porque verificar sus resultados puede requerir cálculos que se vuelven prohibitivamente difíciles para las máquinas clásicas.
Este es el problema de la verificación cuántica, y un nuevo experimento ha encontrado una solución ingeniosa: un juego que pone a prueba cada tipo de sistema.
¿El truco? Existe un límite matemáticamente probado en cuanto al rendimiento de cualquier computadora clásica.
Y cuando un equipo dirigido por los científicos informáticos Marcello Benedetti y Harry Buhrman de Quantinuum en el Reino Unido lo ejecutó en un sistema cuántico de iones atrapados, superó el límite con facilidad.
Y a medida que la prueba se volvió más difícil, el abismo entre el desempeño del sistema cuántico y el mejor desempeño clásico posible se hizo cada vez más amplio, según su artículo publicado en Nature Communications.
Las computadoras cuánticas obtienen sus habilidades inusuales de la extraña física que gobierna las partículas en las escalas más pequeñas.
Mientras que los bits en una computadora clásica representan información como uno de dos estados (un 1 o un 0), los bits cuánticos, o qubits, pueden existir en una superposición de ambos hasta que se miden. La medición colapsa esa superposición, produciendo un solo resultado definido.
La naturaleza matemática de esa superposición puede ser increíblemente poderosa desde un punto de vista computacional, permitiendo que una computadora cuántica resuelva rápidamente ciertos problemas que son enormemente difíciles para una computadora convencional.
Fue el poder computacional de la superposición lo que los investigadores se propusieron probar.
Entonces, idearon un juego basado en una tarea computacional llamada muestreo del complemento.
Así es como funciona. Imagine que todas las respuestas posibles a un problema se dividen en secreto en dos grupos iguales, A y B. Le dan una respuesta seleccionada al azar del grupo A y le desafían a devolver una respuesta del grupo B.
Para una computadora clásica, eso no es suficiente. Sabe que la respuesta que le dieron pertenece a A, por lo que sabe que no debe devolverla. Pero no sabe cuál de todas las demás respuestas posibles pertenece a A y cuál pertenece a B.
Cuantas más respuestas posibles haya, menos útil será esa información. De hecho, los investigadores pudieron demostrar matemáticamente exactamente qué tan bien podría funcionar la mejor estrategia clásica posible.
Sin embargo, una computadora cuántica funciona según reglas muy diferentes.
Debido a que un qubit superpuesto puede tener ambos estados a la vez hasta que se mide, la computadora cuántica puede recibir un estado que contenga todo el conjunto A en superposición, en lugar de reducir la respuesta a una sola muestra.
Y, lo que es más importante, puede manipular esa superposición antes de medirla. Utilizando lo que los investigadores llaman un circuito “intercambiador”, la computadora cuántica transforma el estado que representa el conjunto A en uno que representa su complemento, el conjunto B.
Sólo entonces mide el estado y produce una respuesta del conjunto B. En un sistema cuántico ideal y libre de errores, esta estrategia siempre gana.
Para una computadora clásica, la tarea es exponencialmente más difícil. Necesita medir el estado entrante para obtener una respuesta seleccionada al azar del grupo A y luego intentar devolver una respuesta del grupo B.
Esto crea una enorme brecha entre lo que son capaces de hacer los dos tipos de sistemas.
Si bien un sistema cuántico ideal gana en todas las rondas, la ventaja disponible incluso para la mejor estrategia clásica posible se reduce exponencialmente a medida que aumenta el número de bits (y, por tanto, el número de respuestas posibles).
Y esto no se debe sólo a que los investigadores no hayan encontrado un algoritmo clásico suficientemente inteligente. El límite está probado matemáticamente, sin depender de suposiciones sobre cuán difícil podría ser el cálculo.
Esto le dio al equipo algo inusualmente valioso: una prueba cuyas respuestas son fáciles de verificar, pero cuyo desempeño clásico tiene un techo rígido. Entonces lo llevaron a una computadora cuántica real.
Los investigadores ejecutaron el juego de muestreo del complemento en las computadoras cuánticas de iones atrapados H2 de Quantinuum, utilizando miles de circuitos diferentes y ampliando sus experimentos hasta 55 qubits.
Por supuesto, las máquinas reales no eran tan perfectas como la teoría. A medida que los experimentos crecieron y requirieron más operaciones cuánticas, el ruido del hardware degradó cada vez más su rendimiento.
Pero el sistema cuántico superó consistentemente el límite clásico.
En cada experimento, la computadora cuántica obtuvo tan buenos resultados que sus resultados fueron estadísticamente inconsistentes con lo que cualquier estrategia clásica podría haber logrado.
Mejor aún, a medida que el problema se hacía más difícil, la brecha se ampliaba. La ventaja observada experimentalmente aumentó exponencialmente con la longitud de la cadena de bits, siguiendo de cerca, si no igualando, el comportamiento esperado de la estrategia cuántica óptima.
En la escala más grande probada (cadenas de 37 bits), el sistema no logró el rendimiento teórico ideal, pero los resultados aun así demostraron una “violación exponencialmente grande de la clasicidad”, señalan los investigadores.
El experimento tiene algunas limitaciones.
El “árbitro” que elige la respuesta inicial y el “jugador” que la analiza y da el complemento fueron implementados en la misma computadora cuántica, utilizándose teletransportación cuántica para simular el canal de comunicación entre ellos.
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Una prueba futura más rigurosa los colocaría en computadoras cuánticas separadas conectadas por un canal de comunicación cuántica genuino.
Pero ese es un obstáculo que podrá superarse en la próxima ronda de experimentos.
Por ahora, el resultado proporciona una prueba de concepto, una nueva forma de probar hardware cuántico que sea eficiente de verificar, escalable y, lo que es más importante, que no se base en suposiciones no probadas sobre lo que las computadoras clásicas pueden y no pueden hacer.
“Nuestra prueba”, escriben los investigadores, “demuestra el poder de la superposición cuántica de una manera que ignora el entrelazamiento y la no localidad”.
Los hallazgos han sido publicados en Nature Communications.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.