El artículo "Quantum computational advantage using photons" publicado en Science (DOI: 10.1126/science.abe8770) presenta un avance significativo en la demostración de la ventaja computacional cuántica. Los investigadores, liderados por Han-Sen Zhong y Jian-Wei Pan, realizaron un experimento de muestreo de bosones gaussianos (Gaussian Boson Sampling, GBS) utilizando 50 estados comprimidos de un solo modo enviados a un interferómetro de 100 modos con conectividad total y matriz aleatoria. Este experimento, realizado con el ordenador cuántico fotónico Jiuzhang, logró detectar hasta 76 coincidencias de fotones, operando en un espacio de estados de dimensión (10^{30}). La tasa de muestreo obtenida fue aproximadamente (10^{14}) veces más rápida que las estrategias de simulación clásica más avanzadas en supercomputadoras, demostrando una ventaja computacional cuántica significativa. Los resultados fueron validados contra hipótesis alternativas, como estados térmicos, fotones distinguibles y distribuciones uniformes, confirmando la robustez del experimento.
Puntos Claves
- Muestreo de Bosones Gaussianos (GBS): El experimento utiliza GBS, una tarea considerada intratable para computadoras clásicas debido a la complejidad de simular la distribución de fotones en un interferómetro de múltiples modos.
- Jiuzhang: Este ordenador cuántico fotónico emplea 50 estados comprimidos, un interferómetro de 100 modos y 100 detectores de fotones de alta eficiencia, todos sincronizados con bloqueo de fase para mantener la coherencia.
- Escala del Experimento: La detección de hasta 76 fotones en un espacio de estados de (10^{30}) dimensiones establece un nuevo estándar en la demostración de ventaja cuántica.
- Validación Rigurosa: Los resultados se compararon contra hipótesis plausibles para descartar explicaciones clásicas, asegurando la validez de la ventaja cuántica observada.
- Comparación con Simulación Clásica: La tasa de muestreo de Jiuzhang supera en 14 órdenes de magnitud a las simulaciones clásicas más avanzadas, destacando la superioridad del enfoque cuántico.
Comentario
Este trabajo representa un hito en la carrera hacia la computación cuántica práctica. A diferencia de la demostración previa de Google con su ordenador cuántico Sycamore basado en cúbits superconductores, Jiuzhang utiliza fotones, ofreciendo ventajas como operación a temperatura ambiente y alta estabilidad frente a perturbaciones ambientales. Sin embargo, la ventaja cuántica demostrada no es un punto final, sino parte de una competencia a largo plazo entre dispositivos cuánticos y simulaciones clásicas mejoradas. Críticos como Gil Kalai han señalado que las simulaciones clásicas han avanzado, reduciendo la brecha con los sistemas cuánticos, lo que sugiere que la ventaja cuántica debe seguir siendo robusta frente a estos desarrollos. Este experimento, sin embargo, establece un nuevo estándar al alcanzar una escala de complejidad sin precedentes y una validación exhaustiva, reforzando la viabilidad de los enfoques fotónicos.
Importancia
- Validación de la Ventaja Cuántica: Este experimento proporciona una de las pruebas más sólidas hasta la fecha de que los sistemas cuánticos pueden superar a las computadoras clásicas en tareas específicas, desafiando la tesis extendida de Church-Turing.
- Plataforma Fotónica: Los sistemas basados en fotones ofrecen ventajas prácticas, como operación a temperatura ambiente y potencial de escalabilidad, lo que los hace atractivos para futuras aplicaciones.
- Impulso a la Investigación: Este logro fomenta el desarrollo de tecnologías cuánticas, desde sensores hasta algoritmos, y motiva la exploración de aplicaciones prácticas en áreas como criptografía, optimización y aprendizaje automático.
- Impacto Académico: La publicación en Science y su revisión por expertos como Scott Aaronson refuerzan la credibilidad del trabajo, consolidando su relevancia en la comunidad científica.
Desafíos
- Programabilidad: Aunque Jiuzhang es un avance, carece de programabilidad completa, lo que limita su capacidad para ejecutar algoritmos cuánticos de propósito general. Futuros desarrollos deben abordar esta limitación para aplicaciones prácticas.
- Pérdidas Ópticas: A pesar del uso de un interferómetro de ultrabaja pérdida, las pérdidas ópticas siguen siendo un desafío para escalar el sistema a mayor número de fotones y modos.
- Competencia con Simulaciones Clásicas: Los avances en algoritmos clásicos pueden reducir la ventaja cuántica, requiriendo mejoras continuas en hardware cuántico para mantener la superioridad.
- Corrección de Errores: Para aplicaciones prácticas, los ordenadores cuánticos fotónicos deben incorporar corrección de errores, un área aún en desarrollo.
- Costo y Escalabilidad: La construcción y mantenimiento de sistemas fotónicos de alta precisión son costosos, y la escalabilidad a sistemas más grandes plantea desafíos técnicos significativos.
Conclusión
El experimento de Jiuzhang marca un paso crucial hacia la computación cuántica práctica, demostrando que los sistemas fotónicos pueden lograr una ventaja computacional significativa. Aunque persisten desafíos técnicos y teóricos, este trabajo abre nuevas puertas para la investigación y desarrollo en computación cuántica, con implicaciones profundas para la ciencia y la tecnología. Para la comunidad académica y los estudiantes de la FICCT en la UAGRM, este avance es una invitación a explorar las fronteras de la informática cuántica y contribuir al desarrollo de soluciones innovadoras en este campo en rápida evolución.
Fuente: "Quantum computational advantage using photons" - Revista Science.