Científicos de la Facultad de Física, Universidad de Varsovia, en colaboración con la Universidad de Oxford y NIST, han demostrado que la interferencia cuántica permite procesar grandes conjuntos de datos de forma más rápida y precisa que con los métodos estándar. Sus estudios pueden impulsar las aplicaciones de tecnologías cuánticas en inteligencia artificial, robótica y diagnóstico médico, por ejemplo. Los resultados de este trabajo han sido publicados en Avances de la ciencia .

Ciencia contemporánea, medicamento, La ingeniería y la tecnología de la información exigen un procesamiento eficiente de datos:imágenes fijas, señales de sonido y radio, así como información proveniente de diferentes sensores y cámaras. Desde la década de 1970, esto se ha logrado mediante el algoritmo de Transformada Rápida de Fourier (FFT). La FFT permite comprimir y transmitir datos de manera eficiente, almacenar fotos, retransmitir televisión digital, y hablar por teléfono móvil. Sin este algoritmo, No se habrían desarrollado sistemas de imágenes médicas basados ​​en resonancia magnética o ultrasonido. Sin embargo, todavía es demasiado lento para muchas aplicaciones exigentes.

Para alcanzar este objetivo, Los científicos llevan años intentando aprovechar la mecánica cuántica. Esto resultó en el desarrollo de una contraparte cuántica de la FFT, la Transformada Cuántica de Fourier (QFT), que se puede realizar con una computadora cuántica. Como la computadora cuántica procesa simultáneamente todos los valores posibles (las llamadas "superposiciones") de los datos de entrada, el número de operaciones disminuye considerablemente.

A pesar del rápido desarrollo de la computación cuántica, hay un estancamiento relativo en el campo de los algoritmos cuánticos. Ahora los científicos han demostrado que este resultado se puede mejorar, y de una manera bastante sorprendente.

Transformada de Kravchuk

Las matemáticas describen muchas transformaciones. Uno de ellos es una transformación de Kravchuk. Es muy similar a la FFT, ya que permite el procesamiento de datos discretos (por ejemplo, digitales), pero usa funciones de Kravchuk para descomponer la secuencia de entrada en el espectro. A finales de la década de 1990, la transformación de Kravchuk fue "redescubierta" en la informática. Resultó excelente para el procesamiento de imágenes y sonido. Permitió a los científicos desarrollar algoritmos nuevos y mucho más precisos para el reconocimiento de texto impreso y escrito a mano (incluido incluso el idioma chino), gestos lenguaje de señas, gente, y caras. Hace una docena de años se demostró que esta transformación es ideal para el procesamiento de baja calidad, datos ruidosos y distorsionados, y por tanto podría utilizarse para visión artificial en robótica y vehículos autónomos. No existe un algoritmo rápido para calcular esta transformación, pero resulta que la mecánica cuántica permite eludir esta limitación.

"Santo Grial" de la informática

En su artículo publicado en Avances de la ciencia , científicos de la Universidad de Varsovia — Dr. Magdalena Stobinska y el Dr. Adam Buraczewski, científicos de la Universidad de Oxford, y NIST, han demostrado que la puerta cuántica más simple, que interfiere entre dos estados cuánticos, esencialmente calcula la transformada de Kravchuk. Tal puerta podría ser un dispositivo óptico bien conocido:un divisor de haz, que divide fotones entre dos salidas. Cuando dos estados de luz cuántica ingresan a sus puertos de entrada desde dos lados, interfieren. Por ejemplo, dos fotones idénticos, que ingresan simultáneamente a este dispositivo, se agrupan en pares y salen juntos por el mismo puerto de salida. Este es el conocido efecto Hong-Ou-Mandel, que también puede extenderse a estados formados por muchas partículas. Interfiriendo "paquetes" que constan de muchos fotones indistinguibles (la indistinguibilidad es muy importante, ya que su ausencia destruye el efecto cuántico), que codifican la información, se obtiene una computadora cuántica especializada que calcula la transformada de Kravchuk.

El experimento se realizó en un laboratorio de óptica cuántica en el Departamento de Física de la Universidad de Oxford. donde se construyó una configuración especial para producir estados cuánticos multifotónicos, los llamados estados Fock. Este laboratorio está equipado con TES (Transmission Edge Sensors), desarrollado por NIST, que operan a temperaturas cercanas al cero absoluto. Estos detectores poseen una característica única:pueden contar fotones. Esto permite leer con precisión el estado cuántico que sale del divisor de haz y, por lo tanto, el resultado del cálculo. Más importante, tal cálculo de la transformada cuántica de Kravchuk siempre toma el mismo tiempo, independientemente del tamaño del conjunto de datos de entrada. Es el "Santo Grial" de la informática:un algoritmo que consta de una sola operación, implementado con una sola puerta. Por supuesto, para obtener el resultado en la práctica, es necesario realizar el experimento varios cientos de veces para obtener las estadísticas. Así es como funciona toda computadora cuántica. Sin embargo, no tarda mucho, porque el láser produce decenas de millones de "paquetes" multifotónicos por segundo.

El resultado obtenido por científicos de Polonia, el Reino Unido y los Estados Unidos encontrarán aplicaciones en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas y algoritmos cuánticos. Su gama de usos va más allá de la fotónica cuántica, ya que se puede observar una interferencia cuántica similar en muchos sistemas cuánticos diferentes. La Universidad de Varsovia solicitó una patente internacional para esta innovación. Los científicos esperan que la transformada de Kravchuk pronto encuentre uso en la computación cuántica, donde se convertirá en un componente de nuevos algoritmos, especialmente en computadoras híbridas cuánticas-clásicas que fusionan circuitos cuánticos con diseños digitales "normales".