Durante muchos años, las computadoras cuánticas no eran mucho más que una idea. Hoy dia, compañías, los gobiernos y las agencias de inteligencia están invirtiendo en el desarrollo de tecnología cuántica. Robert König, profesor de teoría de sistemas cuánticos complejos en el TUM, en colaboración con David Gosset del Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo y Sergey Bravyi de IBM, ha colocado ahora una piedra angular en este prometedor campo.

Las computadoras convencionales obedecen las leyes de la física clásica. Se basan en los números binarios cero y uno. Estos números se almacenan y se utilizan para operaciones matemáticas. En unidades de memoria convencionales, cada bit, la unidad de información más pequeña, está representado por un cargo que determina si el bit se establece en uno o en cero.

En una computadora cuántica, sin embargo, un bit puede ser cero y uno al mismo tiempo. Esto se debe a que las leyes de la física cuántica permiten que los electrones ocupen varios estados al mismo tiempo. Bits cuánticos, o qubits, por tanto existen en múltiples estados superpuestos. Esta llamada superposición permite que las computadoras cuánticas realicen operaciones en muchos valores de una sola vez, mientras que una sola computadora convencional debe ejecutar estas operaciones secuencialmente. La promesa de la computación cuántica radica en la capacidad de resolver ciertos problemas significativamente más rápido.

De la conjetura a la prueba

König y sus colegas han demostrado de manera concluyente la ventaja de las computadoras cuánticas. Para tal fin, desarrollaron un circuito cuántico que puede resolver un problema algebraico difícil específico. El nuevo circuito tiene una estructura simple:solo realiza un número fijo de operaciones en cada qubit. Se dice que un circuito de este tipo tiene una profundidad constante. En su trabajo, los investigadores demuestran que el problema en cuestión no se puede resolver utilizando circuitos clásicos de profundidad constante. Además, responden a la pregunta de por qué el algoritmo cuántico supera a cualquier circuito clásico comparable:el algoritmo cuántico explota la no localidad de la física cuántica.

Antes de este trabajo, la ventaja de las computadoras cuánticas no había sido probada ni demostrada experimentalmente, a pesar de que la evidencia apuntaba en esa dirección. Un ejemplo es el algoritmo cuántico de Shor, que resuelve eficientemente el problema de la factorización prima. Sin embargo, es simplemente una conjetura de la teoría de la complejidad que este problema no puede resolverse eficientemente sin computadoras cuánticas. También es concebible que todavía no se haya encontrado el enfoque correcto para las computadoras clásicas.

Robert König considera los nuevos resultados principalmente como una contribución a la teoría de la complejidad. "Nuestro resultado muestra que el procesamiento de información cuántica realmente proporciona beneficios, sin tener que depender de conjeturas teóricas de la complejidad no probadas, ", dice. Más allá de esto, el trabajo proporciona nuevos hitos en el camino hacia las computadoras cuánticas. Debido a su estructura simple, el nuevo circuito cuántico es un candidato para una realización experimental a corto plazo de algoritmos cuánticos.