En las últimas décadas viene siendo ya habitual que los físicos teóricos traten de identificar problemas que sean imposibles de resolver por ordenadores clásicos, pero accesibles a la computación cuántica. Son como pequeños “tesoros matemáticos” que permiten demostrar que los ordenadores cuánticos no solo prometen más velocidad, sino que realmente pueden hacer cosas que los ordenadores tradicionales no pueden. Y encontrar uno de estos problemas es tan raro como encontrar un diamante en bruto en el campo de la informática teórica.
Un nuevo estudio liderado por científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos ha logrado justamente eso. No solo han identificado un problema de simulación que está fuera del alcance de los ordenadores clásicos más potentes, sino que han demostrado que puede resolverse de forma eficiente con un ordenador cuántico. Lo más llamativo es que este reto no es una abstracción matemática, sino algo que tiene que ver con circuitos ópticos reales, muy parecidos a los que se usan en experimentos de laboratorio.
Una primera mirada al problema que ha sido resuelto
El estudio se centra en un problema relacionado con el comportamiento de la luz en sistemas muy complejos. En concreto, se trata de prever cómo evoluciona un conjunto de haces de luz al pasar por distintos elementos ópticos que los modifican. Estos elementos incluyen divisores, que separan un haz en dos, y moduladores de fase, que alteran sus propiedades internas. Cuando se combinan muchos de estos componentes y muchas fuentes de luz, la complejidad del sistema crece enormemente.
A medida que se incrementa el número de haces y componentes, el sistema se vuelve extraordinariamente difícil de describir y calcular. Para un ordenador clásico, intentar analizarlo sería prácticamente como tratar de predecir el camino exacto de cada gota de lluvia en una tormenta: el número de posibilidades crece tan deprisa que resulta inabordable, incluso para los superordenadores más potentes. El estudio demuestra que existe una vía alternativa para afrontar esta clase de problemas, utilizando ordenadores cuánticos. En las siguientes secciones se explicará en detalle cómo se ha logrado este avance y qué lo hace relevante.
Un sistema de espejos que desborda a la informática clásica
El problema que los investigadores plantean está relacionado con la simulación de un tipo específico de circuitos ópticos conocidos como circuitos bosónicos gaussianos. Estos sistemas están formados por dispositivos ópticos como divisores de haz y moduladores de fase, por los que pasan múltiples haces de luz. Cuanto más complejo es el circuito, más complicado resulta predecir qué ocurrirá con cada rayo de luz.
En estos sistemas, los haces interactúan de formas que se pueden describir con las reglas de la mecánica cuántica, lo que hace que el número de posibles configuraciones crezca de forma exponencial. Simular uno de estos sistemas con muchas fuentes de luz requiere tanta memoria y poder de cálculo que ni los superordenadores actuales serían capaces de hacerlo.
Según explican los autores, «solo escribir una descripción completa de este sistema en un ordenador clásico requeriría una cantidad enorme de memoria y capacidad de procesamiento«. Este tipo de sistemas son interesantes porque imitan configuraciones experimentales que se pueden montar en un laboratorio real, no son simples construcciones teóricas.
Qué hace un ordenador cuántico diferente
El enfoque propuesto por el equipo de Los Álamos consiste en usar un ordenador cuántico para simular no el sistema completo, sino solo ciertas características clave de ese sistema: los llamados primeros y segundos momentos de los operadores de posición y momento. Esto significa, en términos más accesibles, que el ordenador cuántico no sigue la trayectoria completa de cada fotón, pero sí calcula propiedades estadísticas de conjunto que permiten saber cómo se comporta el sistema.
Para ello, los investigadores desarrollaron una técnica que traduce el comportamiento de estos circuitos ópticos a puertas lógicas cuánticas, que pueden implementarse en un ordenador cuántico real. En el artículo explican que su método “presenta un problema de decisión BQP-completo, lo que indica que las evoluciones gaussianas bosónicas sobre un número exponencial de modos son tan potentes como los ordenadores cuánticos universales”.
La clave es que han demostrado que este tipo de circuitos pertenece a una clase de problemas llamada BQP-completo, que agrupa los retos más difíciles que puede resolver un ordenador cuántico en un tiempo razonable. Además, cualquier otro problema de esta clase puede transformarse en este, lo que confirma su relevancia como ejemplo del poder cuántico.
Cómo se construyó esta simulación
Uno de los elementos más interesantes del estudio es cómo lograron construir esta simulación. En lugar de representar directamente el sistema de luz, los investigadores codificaron la información en un estado cuántico especial en un ordenador cuántico de tipo gate-based, es decir, un ordenador cuántico que opera mediante una secuencia de puertas lógicas.
Para lograrlo, diseñaron un esquema en el que los valores esperados de las variables físicas del sistema óptico (posición y momento) se transforman en estados de cúbits, las unidades básicas de información cuántica. Luego, a través de una serie de puertas cuánticas, hicieron evolucionar esos estados para simular cómo cambiaría el sistema físico real con el tiempo.
La técnica es tan potente que permite simular sistemas con miles de millones de modos ópticos, algo que sería impensable para cualquier ordenador clásico. En el artículo, se muestra una simulación que alcanza los 8.000 millones de modos, equivalente a un circuito de 33 cúbits. Este resultado no solo tiene valor teórico, sino que puede ser relevante para el diseño de nuevos experimentos de óptica cuántica.
Un problema imposible para los ordenadores normales
El estudio concluye con la demostración formal de que el problema planteado es BQP-completo, lo cual tiene un significado muy concreto en informática teórica: si se pudiera resolver este problema con un ordenador clásico en tiempo razonable, entonces también se podrían resolver todos los problemas cuánticos de esa clase, algo que hoy se considera extremadamente improbable.
La estructura del problema es la siguiente: se trata de determinar el valor esperado de una variable (la posición) al final de una simulación óptica, sabiendo cómo empieza el sistema. Los investigadores proponen un tipo concreto de interferómetro, llamado “bit-estructurado”, y una forma muy precisa de codificar la entrada. La cuestión es simplemente decidir si el resultado cae por encima o por debajo de un cierto umbral. Parece simple, pero calcularlo con métodos clásicos sería prácticamente inviable.
Los autores escriben que “el Problema 1 es BQP-completo” y añaden que su propuesta “da lugar a un conjunto universal de puertas”, lo que significa que se puede usar esta simulación como base para realizar cualquier cálculo cuántico. Este tipo de demostración teórica tiene gran valor porque refuerza la idea de que la computación cuántica no es solo una promesa, sino una herramienta con capacidades demostrables que van más allá de lo clásico.
Un hallazgo con sabor a equipo
Detrás de este logro hay también una historia humana interesante. El equipo de Los Álamos había trabajado previamente en un problema similar, relacionado con la simulación de osciladores clásicos, y se preguntaban si podrían hacer lo mismo con un sistema cuántico.
El impulso decisivo llegó cuando se incorporó al equipo Alice Barthe, una joven investigadora que participaba en la escuela de verano del laboratorio. Barthe, procedente de CERN, aportó conocimientos clave sobre circuitos ópticos cuánticos y algoritmos de simulación, que resultaron ser la pieza que faltaba en el rompecabezas. Según sus compañeros, “las habilidades que Alice aportó a nuestro equipo fueron fundamentales para el éxito de este artículo”.
Este detalle no es menor. Refleja cómo la colaboración entre investigadores jóvenes y experimentados puede conducir a resultados científicos de alto impacto, y pone de relieve el papel de programas de formación en la construcción del conocimiento cuántico del futuro.
Referencias
- Alice Barthe, M. Cerezo, Andrew T. Sornborger, Martín Larocca, Diego García-Martín. Gate-Based Quantum Simulation of Gaussian Bosonic Circuits on Exponentially Many Modes. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.070604.
Fuente de TenemosNoticias.com: www.muyinteresante.com
Publicado el: 2025-06-13 07:06:00
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