Logran controlar la aleatoriedad cuántica

Un equipo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, en Boston) ha logrado un hito en las tecnologías cuánticas al demostrar por primera vez el control de la aleatoriedad cuántica. El estudio se presenta esta semana en la revista Science.

Los autores se centraron en una característica única de la física cuántica conocida como fluctuaciones del vacío. Podrías pensar que el vacío es un espacio sin nada de materia ni luz. Sin embargo, en el mundo cuántico, incluso este espacio «vacío» experimenta fluctuaciones o cambios. Imagina un mar en calma que de repente se llena de olas: eso es similar a lo que ocurre en el vacío a nivel cuántico. 

Este tipo de fluctuaciones ya han permitido a los científicos generar números aleatorios. También son las responsables de muchos fenómenos cuánticos fascinantes descubiertos en los últimos cien años.

Trabajando con estas fluctuaciones del vacío,  los postdoctorandos del MIT Charles Roques-Carmes y Yannick Salamin, junto a sus profesores Marin Soljačić, John Joannopoulos y otros colegas han logrado controlar la aleatoriedad cuántica, un avance importante para la llamada computación probabilística.

Computación convencional vs probabilística

Convencionalmente, los ordenadores funcionan de forma determinista, ejecutando instrucciones paso a paso que siguen un conjunto de reglas y algoritmos predefinidos. En este ámbito, si se ejecuta la misma operación varias veces, siempre se obtiene exactamente el mismo resultado. Este enfoque ha impulsado nuestra era digital, pero tiene sus limitaciones, especialmente cuando se trata de simular el mundo físico u optimizar sistemas complejos, tareas que a menudo implican grandes cantidades de incertidumbre y aleatoriedad.

Aquí es donde entra en juego el concepto de computación probabilística. Estos sistemas aprovechan la aleatoriedad intrínseca de ciertos procesos para realizar los cálculos. No proporcionan una única respuesta «correcta», sino una serie de resultados posibles, cada uno con su probabilidad asociada. Esto los hace idóneos para simular fenómenos físicos y afrontar problemas de optimización en los que pueden existir múltiples soluciones y en los que la exploración de distintas posibilidades puede conducir a una solución mejor.

Sin embargo, la aplicación práctica de la computación probabilística se ha visto dificultada históricamente por un obstáculo importante: la falta de control sobre las distribuciones de probabilidad asociadas a la aleatoriedad cuántica. Aquí es donde la investigación llevada a cabo por el equipo del MIT introduce una posible solución.

Uso de tecnología láser

En concreto, los investigadores han demostrado que inyectar un «sesgo» láser débil en un oscilador paramétrico óptico, un sistema óptico que genera números aleatorios de forma natural, puede servir como fuente controlable de aleatoriedad cuántica «sesgada».

«A pesar del amplio estudio de estos sistemas cuánticos, no se había explorado la influencia de un campo sesgado muy débil», señala Roques-Carmes, «nuestro descubrimiento de la aleatoriedad cuántica controlable no solo nos permite revisar conceptos de óptica cuántica de hace décadas, sino que también abre posibilidades en la computación probabilística y la detección de campos ultraprecisa».

El equipo ha logrado manipular las probabilidades asociadas a los estados de salida de un oscilador paramétrico óptico, creando así el primer bit probabilístico fotónico controlable (p-bit). Además, el sistema ha mostrado sensibilidad a las oscilaciones temporales de los pulsos de campo ‘sesgado’, incluso muy por debajo del nivel de un solo fotón.

Roques-Carmes explica a SINC como han empleado aquí el concepto de sesgo: «Como metáfora, puedes pensar en el lanzamiento de una moneda y medir cara o cruz. Si la moneda está perfectamente equilibrada, la probabilidad de que salga cara o cruz es del 50 %. Ahora bien, si hay algún tipo de desequilibrio, se puede obtener un ratio diferente p:(100-p) donde p no es exactamente 50. Esto es lo que llamamos un sesgo, o desviación, en la distribución; y en nuestro experimento lo introducimos en un generador de números aleatorios que utiliza las fluctuaciones cuánticas como fuente de aleatoriedad”.

“En nuestro estudio –destaca-, hemos avanzado en el campo de la física cuántica al ganar el control sobre la aleatoriedad cuántica. Gracias a nuestro trabajo con las fluctuaciones del vacío, hemos encontrado una forma de ajustar esta aleatoriedad utilizando el «sesgo» láser débil. Este paso puede tener implicaciones útiles para la computación probabilística. También creemos que es la primera vez que se genera una fuente sintonizable o ajustable de aleatoriedad cuántica”.

«La computación probabilística, que aprovecha la aleatoriedad para realizar cálculos, puede ser muy valiosa para simular fenómenos físicos y problemas complejos de optimización. Sin embargo, la falta de control sobre la aleatoriedad cuántica ha sido un escollo. Nuestra investigación podría ofrecer una vía para sortear este reto, aunque sea modestamente, creando un bit probabilístico fotónico controlado (p-bit)», añade.

Por su parte, el coautor Yannick Salamin, comenta: «Nuestro sistema fotónico de generación de p-bits permite actualmente producir 10.000 bits por segundo, cada uno de los cuales puede seguir una distribución binomial arbitraria. Esperamos que esta tecnología evolucionará en los próximos años, dando lugar a p-bits fotónicos de mayor velocidad y a una gama más amplia de aplicaciones».

El profesor Marin Soljačić concluye destacando las implicaciones más amplias del trabajo: «Al hacer de las fluctuaciones del vacío un elemento controlable, estamos ampliando los límites de lo posible en computación probabilística mejorada cuánticamente. La perspectiva de simular dinámicas complejas en áreas como la optimización combinatoria y las denominadas simulaciones de cromodinámica cuántica en rejilla es muy emocionante».

Referencia:

Charles Roques-Carmes et al. “Biasing the quantum vacuum to control macroscopic probability distributions”. Science, 2023.

Fuente: SINC