Un nuevo estudio liderado desde el centro de excelencia ahonda en el uso de una herramienta llamada quantum switch, con novedosos resultados.
“Imagina que le pasas una cinta de papel a dos amigos (Alice y Bob) y le pides a cada uno que anote su inicial, uno después del otro. Dependiendo de a quién le pases primero el papel, en él leerás “AB” o “BA”. Extrañamente, la mecánica cuántica permite algo así como escribir “AB” y “BA” al mismo tiempo anotando cada letra una única vez. Esto se conoce como Orden Causal Indefinido y nosotros estudiamos las ventajas computacionales que ofrece”.
Con ese ejemplo es que el doctorante de la Universidad de Concepción (UdeC) Jorge Escandon explica la temática que aborda en su investigación, cuyos resultados fueron recientemente publicados con un artículo en la revista científica Quantum.
“Practical computational advantage from the quantum switch on a generalized family of promise problems“ (“Ventaja computacional práctica del interruptor cuántico en una familia generalizada de problemas prometedores”) se titula el estudio, que se desarrolló bajo la guía del doctor Stephen Walborn, investigador asociado al Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO), centro de excelencia que se lidera desde el Departamento de Física de la UdeC y dirige el doctor Aldo Delgado, quien también es coautor del paper.
Según comenta Jorge Escandon, primer autor del estudio, en este se definió una familia de problemas computacionales llamada Promesa de Hadamard Compleja, generalizando así otros problemas de promesa presentes en la literatura.
“Luego, demostramos que el quantum switch permite resolver eficientemente estos problemas. Más aún, utilizamos simulaciones numéricas para mostrar que es más eficiente resolver estos problemas usando el quantum switch que usando los mejores protocolos de orden fijo conocidos”, puntualiza.
El investigador aclara que el quantum switch es un proceso con orden causal indefinido y que para definir la familiar de problemas a resolver se utilizó un conjunto conocido como Matrices de Hadamard Compleja, mientras que para las simulaciones los investigadores crearon un código en Python que permite contar el uso de operaciones necesarias para resolver el problema de promesa.
A través de diversos estudios en mecánica cuántica y experimentos se ha constatado que dos versiones de un suceso pueden ocurrir en principio a la misma vez. Existe el Orden Causal Indefinido, usado por Escandon para explicar el trasfondo del estudio, que es un proceso que se puede entender en el primer ejemplo de Alice y Bob.
Para ejemplificar más, se les podría ubicar en otro escenario y simular que a Alice se le cae un plato y el ruido sobresalta a Bob, quien se quema en el fuego de la cocina y grita. En otra versión de los hechos, Bob se quema y grita, y eso hace que a Alice se le caiga el plato.
A lo largo de los años, investigadores de la física cuántica han podido determinar que dos eventos pueden suceder en un orden causal indefinido en el que las afirmaciones “A causa B” y “B causa A” son ciertas al mismo tiempo. Esta posibilidad se desprende del fenómeno cuántico de la superposición, según el cual las partículas mantienen simultáneamente todas las realidades posibles hasta el momento en que son medidas.
Los físicos pueden observar ese orden causal indefinido al llevar un fotón a una superposición de dos estados. Entonces, someten una rama de la superposición al proceso A seguido del proceso B, y la otra al proceso B seguido del A. Este es el procedimiento conocido como quantum switch.
En este sentido, Escandon sostiene que el principal aporte del artículo de su autoría es que flexibiliza una serie de parámetros, dando mayores libertades al diseño de experimentos que usen el quantum switch para resolver problemas de promesa. “Lo que esperamos es que nuestro trabajo estimule la realización de este tipo de experimentos”, afirma. Y también releva que “otro resultado interesante es que en nuestra familia de problemas hay algunos que sólo existen cuando se trabaja con sistemas cuánticos de variable continua, lo cual fue sorpresivo”.
Por su parte, el doctor Walborn explica que “este trabajo muestra que hay algoritmos que no se pueden hacer eficientemente en un computador cuántico estándar, pero sí se puede hacer con un quantum switch. Demuestra que no entendemos todavía todo lo que se puede hacer con la física cuántica en términos del procesamiento de información”.
Desde estos resultados, los investigadores continuarán trabajando en otra aplicación del quantum switch, en metrología cuántica. “Otros pasos que queremos dar más adelante es profundizar en el uso del quantum switch con sistemas de variable continua, pues esa es una combinación aún poco explorada en la literatura especializada”, finaliza Escandon.