Científicos demuestran con éxito el primer control sobre la aleatoriedad cuántica.

Si se perfecciona, el control de la aleatoriedad cuántica podría llevar a avances científicos importantes, incluida la capacidad de realizar cálculos cuánticos probabilísticos previamente imposibles y tecnologías avanzadas de detección en campos diversos.

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Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha logrado un hito, demostrando por primera vez el control de la aleatoriedad cuántica. Para ello, se centró en una característica única de la física cuántica conocida como «fluctuaciones de vacío». Y es que, si bien se podría pensar en un vacío como un espacio completamente vacío sin materia ni luz, en el mundo cuántico, incluso este espacio «vacío» experimenta fluctuaciones o cambios.

«Imagínese un mar en calma que de repente tiene olas», escriben los investigadores en un comunicado de prensa. «Eso es similar a lo que sucede en el vacío a nivel cuántico».

A diferencia del movimiento matemáticamente predecible de los objetos a macroescala que se rigen por las leyes de movimiento de Newton, el movimiento en el ámbito cuántico es efectivamente aleatorio. Tales fluctuaciones aleatorias han permitido a los ingenieros construir generadores de números aleatorios, una herramienta necesaria en varias áreas de investigación, pero que por lo demás no ha dejado de representar un rompecabezas en otros campos. Esto se debe a que, cuando los científicos intentan simularla el mundo real, la capacidad de incluir la aleatoriedad en la ecuación ha sido particularmente difícil de alcanzar.

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«Convencionalmente, las computadoras funcionan de manera determinista, ejecutando instrucciones paso a paso que siguen un conjunto de reglas y algoritmos predefinidos», explican los científicos en un artículo publicado en Science. «En este paradigma, si ejecuta la misma operación varias veces, siempre obtiene exactamente el mismo resultado».

Este enfoque, señalan, ha impulsado la era digital moderna desde las PC hasta los teléfonos móviles, «pero tiene sus limitaciones, especialmente cuando se trata de simular el mundo físico u optimizar sistemas complejos, tareas que a menudo implican grandes cantidades de incertidumbre y aleatoriedad».

Cuando no hay una sola respuesta correcta.

Los investigadores de una gran cantidad de campos —desde la virología y las predicciones de terremotos hasta la exploración espacial e incluso las animaciones por computadora— han estado buscando un método para agregar esa aleatoriedad en sus cálculos. Se llama computación probabilística. Y a diferencia de las computadoras convencionales, los sistemas de computación probabilística pueden ofrecer una forma completamente nueva de simular la realidad.

«No solo brindan una única respuesta “correcta”, sino una variedad de resultados posibles, cada uno con su probabilidad asociada», señalan los autores. «Esto los hace intrínsecamente adecuados para simular fenómenos físicos y abordar problemas de optimización donde podrían existir múltiples soluciones y donde la exploración de varias posibilidades puede conducir a una mejor solución».

Desafortunadamente, nadie ha podido controlar de manera efectiva las distribuciones de probabilidad asociadas con la aleatoriedad cuántica, al menos no lo suficiente como para que se puedan utilizar en escenarios de computación probabilística. Ahora, dice el equipo del MIT, han atravesado ese muro aparentemente impenetrable al ejercer el control suficiente sobre esas fluctuaciones aleatorias para incorporarlas en los diseños de una computadora probabilística del mundo real.

Inyección láser.

«Inyectar un “sesgo” de láser débil en un oscilador paramétrico óptico, un sistema óptico que genera números aleatorios de forma natural, puede servir como una fuente controlable de aleatoriedad cuántica “sesgada”», afirman.

En efecto, el equipo de investigación del MIT asegura que ha aprovechado un territorio previamente inexplorado y se ha topado con la capacidad de controlar eventos aleatorios, al menos lo suficiente como para usarlos en simulaciones por computadora.

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El Dr. Charles Roques-Carmes, uno de los autores principales del trabajo, operando el sistema experimental. Crédito: Anthony Tulliani. ​

«A pesar del extenso estudio de estos sistemas cuánticos, no se exploró la influencia de un campo de polarización muy débil», dijo Charles Roques-Carmes, uno de los investigadores del estudio. «Nuestro descubrimiento de la aleatoriedad cuántica controlable no solo nos permite revisar conceptos de décadas de antigüedad en óptica cuántica, sino que también abre potencial en computación probabilística y detección de campo ultraprecisa».

Como explica el comunicado de prensa, «el equipo ha demostrado con éxito la capacidad de manipular las probabilidades asociadas con los estados de salida de un oscilador paramétrico óptico, creando así el primer bit probabilístico fotónico controlable (p-bit)».

Revolución probabilística.

En teoría, esta nueva capacidad podría conducir a una revolución en la computación probabilística y, según uno de los científicos involucrados, ya han comenzado a desarrollar los diseños para utilizar este enfoque en los sistemas informáticos reales.

«Nuestro sistema fotónico de generación de p-bits actualmente permite la producción de 10.000 bits por segundo, cada uno de los cuales puede seguir una distribución binomial arbitraria», precisó el investigador Yannick Salamin, asociado postdoctoral del MIT. «Esperamos que esta tecnología evolucione en los próximos años, lo que conducirá a bits-p fotónicos de mayor velocidad y una gama más amplia de aplicaciones».

El miembro del equipo y profesor del MIT, Marin Soljačić, también destacó las posibles aplicaciones y el potencial aparentemente ilimitado de dicho sistema.

«Al hacer que las fluctuaciones del vacío sean un elemento controlable, estamos ampliando los límites de lo que es posible en la computación probabilística mejorada cuánticamente», dijo Soljačić. «La perspectiva de simular dinámicas complejas en áreas como la optimización combinatoria y las simulaciones de cromodinámica cuántica de celosía es muy emocionante».

Fuente: https://www.eurekalert.org/news-releases/994797