27/05/2024

Investigadores de MIRO profundizan en el uso del Quantum Switch

“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”. De esta manera, Jorge Escandon, doctorante de la Universidad de Concepción, nos explica su investigación publicada recientemente en la revista Quantum.

El estudio, titulado “Practical computational advantage from the quantum switch on a generalized family of promise problems”, fue desarrollado bajo la guía del Dr. Stephen Walborn, investigador asociado del Instituto Milenio de Investigación en Óptica, MIRO, y escrito en coautoría con el director de MIRO, Dr. Aldo Delgado.

Según comenta Jorge, quien es primer autor del estudio, en la investigación 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 (un proceso con orden causal indefinido), 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.

Para definir esta familia de problemas, se utilizó un conjunto de matrices conocidas como Matrices de Hadamard Compleja y para las simulaciones los investigadores crearon un código en Python que permite contar el uso de operaciones necesarias para resolver el problema de promesa.

Quantum switch

A través de diversos estudios en mecánica cuántica, se ha podido constatar en experimentos que dos versiones de una historia o suceso pueden ocurrir en principio a la misma vez. Como explicaba en un inicio Jorge, existe el Orden Causal Indefinido, proceso que se puede entender en el primer ejemplo de Alice y Bob. Ubicando a Alice y Bob en otro escenario para ejemplificar aún más, podríamos simular la siguiente situación: 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 es eso lo que 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.

Según señala Jorge, el principal aporte de este artículo es que flexibiliza una serie de parámetros, dando mayores libertades al diseño de experimentos que usen el quantum switch para resolver problemas de promesa. “Justamente, lo que esperamos es que nuestro trabajo estimule la realización de este tipo de experimentos. 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”, señala el investigador.

Por su parte, el académico Dr. Stephen 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”.

Luego de este estudio, los investigadores continuarán trabajando en otra aplicación del quantum switch, esta vez 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 Jorge.

La imagen muestra un quantum switch de tres operaciones y cuatro caminos donde cada color indica un orden distinto de operaciones. El quantum switch permite una “superposición” de estos distintos órdenes.