Física 50 años más tarde, ¿qué?

2022/11/11 García Vergniory, Maia - FisikariaDIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

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En mi campo, dentro de 50 años, dominarán las tecnologías cuánticas. Estas serán las tecnologías con las que investigaremos y comunicaremos. Son tecnologías basadas en las propiedades de situaciones complejas. Pero, ¿qué son esas situaciones complicadas y dónde estamos en este momento? Empecemos por el principio…

La mecánica cuántica tiene una curiosa reputación de ser la más exitosa de nuestras teorías científicas y a la vez la más misteriosa. Se desarrolló en un período marcado entre 1900 y 1920, mientras que el formalismo actual se desarrolló a finales de los años 20. A partir de entonces, los físicos tuvieron un gran éxito aplicando la mecánica cuántica para comprender las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza y llegaron a configurar el modelo estándar de la física de partículas. Al mismo tiempo, los físicos tuvieron un gran éxito simultáneo en la aplicación de la mecánica cuántica para comprender el fascinante haz de compuestos del mundo, desde polímeros a semiconductores, desde superfluidos hasta superconductores. Pero, aunque estos desarrollos avanzaron en profundidad la comprensión del mundo natural, sólo mejoraron ligeramente la comprensión de la mecánica cuántica.

La base de las tecnologías cuánticas: el enredo
cuántico Aquí voy a hablar de la aplicación de la mecánica cuántica a la computación cuántica, y para ello necesitamos presentar su fundamento teórico: los estados complicados. La historia de las situaciones complicadas comenzó con la disconformidad con los fundamentos de la mecánica cuántica Einstein, cuando se formuló la llamada paradoja EPR. La paradoja se centraba en el modelo de dos partículas entrelazadas, porque Einstein estaba empeñado en negarlo. En la actualidad, el enredo cuántico es uno de los principios fundamentales de la física cuántica. El enredo cuántico quiere decir que muchas partículas están de alguna manera interconectadas y actúan como si fueran una sola. Así, la medida del estado cuántico de una partícula permite conocer y determinar los posibles estados cuánticos de otras partículas.

Esta conexión no depende de la posición espacial de las partículas. Aunque separas las partículas mezcladas durante miles de millones de kilómetros, el cambio de una partícula provoca un cambio en la otra. Para Einstein, esto era una paradoja, pues parece que implica una comunicación entre dos partículas a una velocidad superior a la de la luz, lo que está en conflicto con la teoría de la relatividad del propio Albert Einstein. Sin embargo, más tarde se demostró que la interpretación de Einstein era errónea porque las partículas no se mueven. Aunque parece que el enredo cuántico transmite información rápidamente, no vulnera la velocidad clásica de la luz, ya que en realidad no hay “movimientos”. Tratando de negar la mecánica cuántica, Einstein ideó la idea de enredarse.

Imaginad cuál podía ser el potencial tecnológico de esta idea si se consiguiese controlar situaciones complicadas: con una partícula se puede actuar sobre otra muy lejana. Sin embargo, hubo que pasar décadas para encontrar las aplicaciones de los enredos cuánticos.

Las nuevas preguntas comenzaron a cambiar la forma en que pensaban sobre la mecánica cuántica en las décadas de la existencia y la existencia. Algunos investigadores se inspiraron preguntándose si algunas preguntas básicas de la informática y de la información podrían aplicarse al estudio de los sistemas cuánticos. Antes, los sistemas cuánticos sólo se utilizaban para explicar fenómenos naturales, estos investigadores demostraron que los sistemas cuánticos podían diseñarse para cualquier aplicación. Visión pequeña pero conclusiones profundas. Ya no se observa el mundo cuántico, pero en su lugar se puede crear el mundo cuántico a nuestro gusto.

Por un lado, resurgió el interés por los fundamentos de la mecánica cuántica y, por otro, surgieron muchas preguntas nuevas combinando los campos de la física, la informática y la teoría de la información. ¿Cuáles son las limitaciones físicas básicas espacio-temporales para la construcción del estado cuántico? ; ¿cuánto tiempo y espacio se necesita para una determinada operación dinámica? ¿por qué es tan difícil comprender y simular sistemas cuánticos utilizando sistemas clásicos?

Cuatro hitos Desde
entonces han sido muchos los avances. Quizá el avance más espectacular sea el de los experimentos. Faltan muchos años para construir ordenadores cuánticos a gran escala, pero se han realizado grandes avances. Se han utilizado circuitos superconductores para la implementación de algoritmos cuánticos simples de dos qubits* y los sistemas de tres qubits están prácticamente disponibles. Se han utilizado qubits basados en spines nucleares y fotón único, respectivamente, para demostrar la corrección de errores cuánticos y la implementación del principio de simulación cuántica. Pero el avance más espectacular de todos ellos ha sido el de los sistemas de ión. Los iones capturados también se han utilizado para mostrar la base de las comunicaciones cuánticas básicas, incluyendo la corrección de errores cuánticos y la teleportación cuántica.

El segundo avance ha sido cómo se pueden implementar los algoritmos cuánticos en los ordenadores cuánticos. Sorprendentemente, la computación cuántica se puede implementar simplemente midiendo la secuencia de un solo qubit, el qubit nos dará implementaciones diferentes según cuánto, cuándo y cómo se miden. Es evidente que le dan un estado cuántico fijo y luego el cálculo cuántico se obtiene “mirando” adecuadamente los qubits individuales.

El tercer avance ha sido el ejercicio de la simulación clásica de sistemas cuánticos. La simulación de los sistemas cuánticos en los ordenadores clásicos convencionales parece a menudo difícil, de hecho tenemos bastantes limitaciones de computación con los ordenadores clásicos. Pero en los años 2000 hemos aprendido qué sistemas cuánticos son fáciles de simular y cuáles difíciles de simular. Se han desarrollado ingeniosos algoritmos para la simulación clásica de muchos sistemas cuánticos que antaño eran difíciles de simular. En particular, se han simulado muchos sistemas cuánticos de una dimensión espacial y determinados sistemas cuánticos bidimensionales, obteniendo resultados concretos. Estos algoritmos clásicos han sido obtenidos gracias al desarrollo de descripciones clásicas luminosas. Al mismo tiempo, hemos sabido que algunos sistemas que antes parecían simples son sorprendentemente complejos. Estos estudios han aclarado qué sistemas cuánticos son fáciles y difíciles de simular.

El cuarto progreso ha sido la profundización en la comprensión de los canales cuánticos de comunicación. Se ha desarrollado una hermosa y completa teoría para conocer cómo el complejo estado cuántico puede contribuir a la comunicación clásica sobre los canales cuánticos. Muchos protocolos cuánticos de comunicación se han organizado en familias, unificando así gran parte de la comprensión de los distintos tipos de comunicación posible con la información cuántica.

La posibilidad de resolver problemas de computación profundos Una de las
principales motivaciones para trabajar en la ciencia de la información cuántica es la posibilidad de que los algoritmos cuánticos rápidos resuelvan problemas de computación importantes. Aquí, el avance experimentado en la última década ha sido mixto, pues aunque se ha hecho un gran esfuerzo, las ideas de los principales algoritmos se mantienen como hace 10 años. Pero el avance técnico ha sido notable. Ahora bien, todavía no entendemos qué es exactamente lo que hace fuertes los ordenadores cuánticos, o en qué tipo de problemas se espera superar los ordenadores clásicos.

En los próximos años, los ordenadores cuánticos no sólo aportarán mayor capacidad de computación, sino que son necesarios para resolver el problema energético. Un ordenador cuántico obtendría una mejora energética equivalente en cuatro qubit más, y sin apenas incrementos de energía resolvería problemas difíciles. Por ello, no es necesario obtener una reducción significativa del tiempo empleado para captar el ahorro energético que puede suponer la computación cuántica: las ventajas están más allá del cálculo cuántico.

* Qubit (o bit cuántico) es el análogo mecánico cuántico de un bit clásico.