Las computadoras cuánticas siguen siendo un sueño, pero ha llegado la era de las comunicaciones cuánticas. Un nuevo experimento, realizado en París, demostró por primera vez que la comunicación cuántica es superior a los métodos clásicos de transmisión de información.
“Fuimos los primeros en demostrar una ventaja cuántica al comunicar la información que dos partes necesitan para completar una tarea”, dice Eleni Diamanti, ingeniera eléctrica de la Universidad de la Sorbona y coautora del estudio.
Se espera que las máquinas cuánticas, que utilizan las propiedades cuánticas de la materia para codificar información, revolucionen la informática. Pero el progreso en esta área ha sido extremadamente lento. Mientras los ingenieros están trabajando para crear computadoras cuánticas rudimentarias, los científicos teóricos se han enfrentado a un obstáculo más fundamental: no han podido demostrar que las computadoras clásicas nunca puedan completar las tareas para las que están diseñadas las computadoras cuánticas. El verano pasado, por ejemplo, un chico de Texas demostró que un problema que durante mucho tiempo se consideró solucionable solo en una computadora cuántica se puede resolver rápidamente en una computadora clásica.
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Bienvenido a la era cuántica
Sin embargo, en el campo de las comunicaciones (no de la informática), los beneficios del enfoque cuántico pueden confirmarse. Hace más de una década, los científicos demostraron que, al menos en teoría, la comunicación cuántica es superior a las formas clásicas de enviar mensajes para tareas específicas.
“Las personas se dedicaban principalmente a tareas informáticas. Una de las grandes ventajas es que en el caso de las tareas de comunicación, los beneficios son demostrables.
En 2004, Jordanis Kerenidis, coautor del trabajo de Diamanti, y otros dos científicos presentaron un escenario en el que una persona necesitaba enviar información a otra para que una segunda persona pudiera responder una pregunta específica. Los investigadores han demostrado que un circuito cuántico puede realizar una tarea transfiriendo exponencialmente menos información que un sistema clásico. Pero el circuito cuántico que presentaban era puramente teórico y estaba mucho más allá de la tecnología del momento.
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“Pudimos confirmar esta ventaja cuántica, pero fue extremadamente difícil implementar el protocolo cuántico”, dice Kerenidis.
El nuevo trabajo es una versión modificada del guión imaginado por Kerenidis y sus colegas. Como de costumbre, pasemos a dos temas, Alice y Bob. Alice tiene un juego de bolas numeradas. Cada bola es de color rojo o azul al azar. Bob quiere saber si un par de bolas en particular, elegidas al azar, tienen el mismo color o son diferentes. Alice quiere enviar a Bob la menor cantidad de información posible, mientras se asegura de que Bob pueda responder a su pregunta.
Este problema se denomina "problema de coincidencia de patrones". Es esencial para la criptografía y las monedas digitales, donde los usuarios a menudo quieren intercambiar información sin divulgar todo lo que saben. También demuestra perfectamente los beneficios de la comunicación cuántica.
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No se puede simplemente decir que quiero enviarle una película o algo del tamaño de un gigabyte y codificarlo en un estado cuántico, esperando encontrar una ventaja cuántica, dice Thomas Vidick, científico informático del Instituto de Tecnología de California. "Necesitamos considerar tareas más sutiles".
Para la solución clásica del problema de emparejamiento, Alice debe enviar a Bob una cantidad de información proporcional a la raíz cuadrada del número de bolas. Pero la naturaleza inusual de la información cuántica hace posible una solución más eficiente.
En el circuito de laboratorio utilizado en el nuevo trabajo, Alice y Bob se comunican mediante pulsos de láser. Cada impulso representa una bola. Los pulsos pasan a través de un divisor de haz, que envía la mitad de cada pulso a Alice y Bob. Cuando el pulso llega a Alice, ella puede cambiar la fase del pulso láser para codificar información sobre cada bola, dependiendo de su color, rojo o azul.
Mientras tanto, Bob codifica información sobre los pares de bolas que le interesan en su mitad de los pulsos láser. Luego, los pulsos convergen en otro divisor de haz, donde interfieren entre sí. El patrón de interferencia producido por los pulsos refleja diferencias en cómo se cambiaron las fases de cada pulso. Bob puede leer el patrón de interferencia en el detector de fotones más cercano.
Hasta el momento en que Bob "lee" el mensaje láser de Alice, el mensaje cuántico de Alice es capaz de responder cualquier pregunta sobre cualquier par. Pero el proceso de lectura del mensaje cuántico lo destruye y Bob recibe información sobre un solo par de bolas.
Esta propiedad de la información cuántica, que se puede leer de varias formas, pero en última instancia, solo una la leerá, reduce en gran medida la cantidad de información que se puede transmitir para resolver el problema de coincidencia de muestras. Si Alice necesita enviar 100 bits clásicos a Bob para que él pueda responder a su pregunta, puede hacer la misma tarea con unos 10 qubits o bits cuánticos.
Esta es la prueba de principio que necesita para crear una verdadera red cuántica, dice Graham Smith, físico de JILA en Boulder, Colorado.
El nuevo experimento es un claro triunfo sobre los métodos clásicos. Los investigadores comenzaron el experimento sabiendo exactamente cuánta información se necesitaba transmitir de la manera clásica para resolver el problema. Luego demostraron de manera convincente que las herramientas cuánticas pueden resolverlo de una manera más compacta.
Este resultado también ofrece una ruta alternativa a un objetivo de larga data en la informática: demostrar que las computadoras cuánticas son superiores a las computadoras clásicas.
Ilya Khel
