Investigadores de la Universidad de Bristol han descubierto que las computadoras cuánticas superpoderosas, que científicos e ingenieros de todo el mundo se apresuran a construir, necesitan ser incluso más potentes de lo que se pensaba antes de poder vencer a las PC normales de hoy.

Las computadoras cuánticas son un nuevo tipo de máquina que opera con hardware mecánico cuántico y se prevé que brinden enormes ventajas de velocidad para resolver ciertos problemas.

Grupos de investigación de las principales universidades y empresas, incluido Google, Microsoft e IBM, son parte de una carrera mundial para realizar la primera computadora cuántica que cruza a la 'singularidad computacional cuántica'.

Esto representa un problema tan complejo que las principales supercomputadoras de hoy tardarían siglos en encontrar una solución. mientras que una computadora cuántica podría descifrarlo en minutos.

Ahora, un equipo de científicos de Bristol ha descubierto que el límite de esta singularidad está más lejos de lo que se pensaba.

La investigación se informa esta semana en Física de la naturaleza .

Los resultados se aplican a un algoritmo cuántico muy influyente conocido como 'muestreo de bosones', que fue ideado como una ruta muy directa para demostrar la supremacía de la computación cuántica sobre las máquinas clásicas.

El problema de muestreo de bosones está diseñado para ser resuelto por fotones (partículas de luz) controladas en chips ópticos, tecnología iniciada por los laboratorios de tecnología e ingeniería cuántica de Bristol (QETLabs).

La predicción del patrón de muchos fotones que emergen de un chip óptico grande está relacionada con un cálculo de matriz aleatoria extremadamente difícil.

Con el rápido progreso de las tecnologías cuánticas, parecía como si un experimento de muestreo de bosones que cruzara a la singularidad computacional cuántica estuviera al alcance. Sin embargo, el equipo de Bristol pudo rediseñar un antiguo algoritmo clásico para simular el muestreo de bosones, con consecuencias dramáticas.

Dr. Anthony Laing, que dirige un grupo en QETLabs y dirigió esta investigación, dijo:"Es como ajustar un viejo avión de hélice para que vaya más rápido que uno de los primeros aviones a reacción.

“Estamos en un momento de la historia en el que todavía es posible que los algoritmos clásicos superen a los algoritmos cuánticos que esperamos sean en última instancia supersónicos.

"Pero demostrar tal hazaña significó reunir un equipo de científicos de primera, matemáticos, y programadores ".

El Dr. Raphaël Clifford, experto en algoritmos clásicos, del Departamento de Ciencias de la Computación de Bristol, rediseñó varios algoritmos clásicos para atacar el problema del muestreo de bosones, con el algoritmo Metropolised Independence Sampling de 1950 que ofrece el mejor rendimiento.

El código de simulación fue optimizado por el investigador de QETLabs 'EJ', un ex programador de LucasArts. La experiencia en complejidad computacional provino del Dr. Ashley Montanaro, de la Escuela de Matemáticas de Bristol, mientras que los estudiantes de QETLabs, Chris Sparrow y Patrick Birchall, trabajaron en el desempeño proyectado de la tecnología de fotónica cuántica competidora.

En el corazón del proyecto y uniendo todos estos hilos estaba el estudiante de doctorado de QETLabs y el primer autor del artículo, Alex Neville, quien probó, implementado, comparado, y analizado, todos los algoritmos.

Él dijo:"El mayor experimento de muestreo de bosones reportado hasta ahora es de cinco fotones.

"Se creía que 30 o incluso 20 fotones serían suficientes para demostrar la supremacía computacional cuántica".

Sin embargo, pudo simular el muestreo de bosones para 20 fotones en su propia computadora portátil, y aumentó el tamaño de la simulación a 30 fotones mediante el uso de servidores departamentales.

Alex agregó:"Con acceso a la supercomputadora más poderosa de la actualidad, podríamos simular un muestreo de bosones con 50 fotones ".

La investigación se basa en la reputación de Bristol como centro de actividad para la ciencia cuántica y el desarrollo de tecnologías cuánticas.

A través de QETLabs, la universidad se ha embarcado en un ambicioso programa para sacar tecnologías cuánticas del laboratorio y diseñarlas en dispositivos útiles que tienen aplicaciones del mundo real para abordar algunos de los problemas más difíciles de la sociedad.

Además de las colaboraciones con empresas tecnológicas como Microsoft, Google, y Nokia, En Bristol han surgido nuevas empresas y nuevas actividades comerciales centradas en las tecnologías cuánticas.

Un tema importante en toda la actividad de investigación cuántica es el desarrollo de nuestra comprensión de exactamente cómo las tecnologías cuánticas pueden superar de manera demostrable a las computadoras convencionales.

Recientemente el Dr. Montanaro, junto con el profesor Noah Linden de la Escuela de Matemáticas, organizó un grupo de investigación centrado en Heilbronn sobre el tema de la supremacía computacional cuántica.

Esta reunión reunió a algunos de los líderes mundiales en el campo, tanto de la industria como del mundo académico, a Bristol para una semana de intensas discusiones y colaboración. Entre los asistentes se encontraba uno de los teóricos que ideó el muestreo de bosones, Profesor Scott Aaronson, de UT Austin.

Aunque superar a las computadoras clásicas puede tardar un poco más de lo que se esperaba originalmente, El Dr. Laing sigue siendo optimista sobre las perspectivas de construir un dispositivo para hacer precisamente eso.

Dijo:"Ahora tenemos una idea sólida del desafío tecnológico que debemos enfrentar para demostrar que las máquinas cuánticas pueden superar a sus contrapartes clásicas. Para el muestreo de bosones, la singularidad se encuentra un poco más allá de los 50 fotones. Es una nuez más difícil de romper de lo que pensamos al principio, pero aún nos imaginamos nuestras posibilidades ".

Con el grupo del Dr. Laing centrado en aplicaciones prácticas de tecnologías cuánticas, El trabajo actual pone límites al tamaño y la sofisticación de los dispositivos fotónicos que serán necesarios para abordar problemas de relevancia industrial que están más allá de las capacidades de los algoritmos clásicos de hoy.