Un equipo de investigadores del Reino Unido y Rusia ha demostrado con éxito que un tipo de 'polvo mágico' que combina luz y materia se puede utilizar para resolver problemas complejos y eventualmente superar las capacidades de incluso las supercomputadoras más poderosas.
Los investigadores, de Cambridge, Universidades de Southampton y Cardiff en el Reino Unido y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo en Rusia, han utilizado partículas cuánticas conocidas como polaritones, que son mitad luz y mitad materia, para actuar como una especie de "baliza" que muestra el camino hacia la solución más simple a problemas complejos. Este diseño completamente nuevo podría formar la base de un nuevo tipo de computadora que puede resolver problemas que actualmente no tienen solución. en diversos campos como la biología, finanzas o viajes espaciales. Los resultados se informan en la revista Materiales de la naturaleza .
Nuestro progreso tecnológico, desde el modelado del plegamiento de proteínas y el comportamiento de los mercados financieros hasta el diseño de nuevos materiales y el envío de misiones totalmente automatizadas al espacio profundo, depende de nuestra capacidad para encontrar la solución óptima de una formulación matemática de un problema:el número mínimo absoluto de pasos que se necesita para resolver ese problema.
La búsqueda de una solución óptima es análoga a buscar el punto más bajo en un terreno montañoso con muchos valles, trincheras y gotas. Un excursionista puede ir cuesta abajo y pensar que ha llegado al punto más bajo de todo el paisaje, pero puede haber una caída más profunda justo detrás de la siguiente montaña. Tal búsqueda puede parecer abrumadora en un terreno natural, pero imagina su complejidad en un espacio de alta dimensión. "Este es exactamente el problema a abordar cuando la función objetivo de minimizar representa un problema de la vida real con muchas incógnitas, parámetros, y limitaciones, ", dijo la profesora Natalia Berloff del Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge y del Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo, y el primer autor del artículo.
Las supercomputadoras modernas solo pueden tratar con un pequeño subconjunto de tales problemas cuando la dimensión de la función a minimizar es pequeña o cuando la estructura subyacente del problema le permite encontrar la solución óptima rápidamente incluso para una función de gran dimensionalidad. Incluso una hipotética computadora cuántica, si se da cuenta, ofrece en el mejor de los casos la aceleración cuadrática para la búsqueda de "fuerza bruta" del mínimo global.
Berloff y sus colegas abordaron el problema desde un ángulo inesperado:¿y si en lugar de moverse por el terreno montañoso en busca del punto más bajo, uno llena el paisaje con un polvo mágico que solo brilla en el nivel más profundo, convirtiéndose en un marcador fácilmente detectable de la solución?
"Hace unos años, nuestra propuesta puramente teórica sobre cómo hacer esto fue rechazada por tres revistas científicas, "dijo Berloff". Un árbitro dijo, '¡¿Quién estaría lo suficientemente loco como para intentar implementar esto ?!' Así que tuvimos que hacerlo nosotros mismos y ahora hemos probado nuestra propuesta con datos experimentales ".
Sus polaritones de 'polvo mágico' se crean al hacer brillar un láser en capas apiladas de átomos seleccionados como el galio, arsénico, indio y aluminio. Los electrones de estas capas absorben y emiten luz de un color específico. Los polaritones son diez mil veces más ligeros que los electrones y pueden alcanzar densidades suficientes para formar un nuevo estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein. donde las fases cuánticas de los polaritones se sincronizan y crean un único objeto cuántico macroscópico que puede detectarse mediante mediciones de fotoluminiscencia.
La siguiente pregunta que tuvieron que abordar los investigadores fue cómo crear un paisaje potencial que corresponda a la función a minimizar y forzar a que los polaritones se condensen en su punto más bajo. Para hacer esto, el grupo se centró en un tipo particular de problema de optimización, pero un tipo que sea lo suficientemente general como para que cualquier otro problema difícil pueda estar relacionado con él, a saber, la minimización del modelo XY, que es uno de los modelos más fundamentales de la mecánica estadística. Los autores han demostrado que pueden crear polaritones en los vértices de un gráfico arbitrario:a medida que los polaritones se condensan, las fases cuánticas de los polaritones se organizan en una configuración que corresponde al mínimo absoluto de la función objetivo.
"Estamos apenas comenzando a explorar el potencial de los gráficos de polaritón para resolver problemas complejos, "dijo el coautor, el profesor Pavlos Lagoudakis, Jefe del Laboratorio de Fotónica Híbrida de la Universidad de Southampton y del Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo, donde se realizaron los experimentos. "Actualmente estamos ampliando nuestro dispositivo a cientos de nodos, mientras prueba su poder computacional fundamental. El objetivo final es un simulador cuántico de microchip que funcione en condiciones ambientales ".
