Los dispositivos cuánticos de última generación aún no son lo suficientemente grandes como para llamarlos computadoras a gran escala. Los más grandes comprenden solo unas pocas docenas de qubits, una cantidad exigua en comparación con los miles de millones de bits en la memoria de una computadora ordinaria. Pero el progreso constante significa que estas máquinas ahora encadenan rutinariamente 10 o 20 qubits y pronto pueden dominar 100 o más.

Mientras tanto, los investigadores están ocupados imaginando usos para pequeñas computadoras cuánticas y trazando el panorama de los problemas que serán adecuados para resolver. Un artículo de investigadores del Joint Quantum Institute (JQI) y el Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS), publicado recientemente en Cartas de revisión física , sostiene que una nueva perspectiva no cuántica puede ayudar a esbozar los límites de este paisaje y potencialmente incluso revelar nueva física en experimentos futuros.

La nueva perspectiva involucra una herramienta matemática, una medida estándar de dificultad computacional conocida como complejidad de muestreo, que mide qué tan fácil o difícil es para una computadora común simular el resultado de un experimento cuántico. Debido a que las predicciones de la física cuántica son probabilísticas, un solo experimento nunca podría verificar que estas predicciones sean precisas. Debería realizar muchos experimentos, al igual que necesitarías lanzar una moneda muchas veces para convencerte de que estás sosteniendo un diario, níquel imparcial.

Si una computadora ordinaria necesita una cantidad de tiempo razonable para imitar una ejecución de un experimento cuántico (produciendo muestras con aproximadamente las mismas probabilidades que la real), la complejidad del muestreo es baja; si lleva mucho tiempo, la complejidad del muestreo es alta.

Pocos esperan que las computadoras cuánticas que manejan muchos qubits tengan una baja complejidad de muestreo; después de todo, Se espera que las computadoras cuánticas sean más poderosas que las computadoras ordinarias, por lo que simularlos en su computadora portátil debería ser difícil. Pero aunque el poder de las computadoras cuánticas sigue sin probarse, explorar el cruce de baja complejidad a alta complejidad podría ofrecer nuevos conocimientos sobre las capacidades de los primeros dispositivos cuánticos, dice Alexey Gorshkov, un miembro de JQI y QuICS que es coautor del nuevo artículo.

"La complejidad del muestreo sigue siendo una herramienta subestimada, "Gorshkov dice, en gran parte porque los pequeños dispositivos cuánticos se han vuelto confiables solo recientemente. "Estos dispositivos ahora están haciendo esencialmente muestreo cuántico, y simular esto está en el corazón de todo nuestro campo ".

Para demostrar la utilidad de este enfoque, Gorshkov y varios colaboradores demostraron que la complejidad del muestreo rastrea la transición fácil a difícil de una tarea que se espera que las computadoras cuánticas pequeñas y medianas realicen más rápido que las computadoras ordinarias:el muestreo de bosones.

Los bosones son una de las dos familias de partículas fundamentales (la otra son fermiones). En general, dos bosones pueden interactuar entre sí, pero ese no es el caso del problema del muestreo de bosones. "Aunque no interactúan en este problema, Los bosones son lo suficientemente interesantes como para hacer que valga la pena estudiar el muestreo de bosones, "dice Abhinav Deshpande, estudiante de posgrado en JQI y QuICS y autor principal del artículo.

En el problema del muestreo de bosones, se permite que un número fijo de partículas idénticas salte en una cuadrícula, extendiéndose en superposiciones cuánticas en muchos sitios de cuadrícula. Resolver el problema significa tomar muestras de esta nube de probabilidad cuántica manchada, algo que una computadora cuántica no tendría problemas en hacer.

Deshpande, Gorshkov y sus colegas demostraron que existe una clara transición entre lo fácil y lo difícil que es simular el muestreo de bosones en una computadora ordinaria. Si comienzas con unos pocos bosones bien separados y solo los dejas saltar brevemente, la complejidad del muestreo sigue siendo baja y el problema es fácil de simular. Pero si esperas mas una computadora ordinaria no tiene ninguna posibilidad de capturar el comportamiento cuántico, y el problema se vuelve difícil de simular.

El resultado es intuitivo, Deshpande dice:ya que en breves momentos los bosones están todavía relativamente cerca de sus posiciones iniciales y no ha surgido gran parte de su "cuántica". Por tiempos más largos, aunque, hay una explosión de posibilidades de dónde puede terminar cualquier bosón. Y como es imposible distinguir dos bosones idénticos entre sí, cuanto más los dejes saltar, cuanto más probable es que cambien de lugar silenciosamente y compliquen aún más las probabilidades cuánticas. De este modo, el cambio dramático en la complejidad del muestreo está relacionado con un cambio en la física:las cosas no se ponen demasiado difíciles hasta que los bosones saltan lo suficiente como para cambiar de lugar.

Gorshkov dice que buscar cambios como este en la complejidad del muestreo puede ayudar a descubrir transiciones físicas en otras tareas o experimentos cuánticos. En cambio, la falta de aumento de la complejidad puede descartar una ventaja cuántica para los dispositivos que son demasiado propensos a errores. De cualquier manera, Gorshkov dice:Los resultados futuros que surjan de este cambio de perspectiva deberían ser interesantes. "Una mirada más profunda al uso de la teoría de la complejidad del muestreo de la informática para estudiar la física cuántica de muchos cuerpos nos enseñará algo nuevo y emocionante sobre ambos campos, " él dice.