A diferencia de las partículas clásicas, las partículas cuánticas pueden viajar mediante una superposición cuántica en diferentes direcciones. Imagen: NTU, Singapur.
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) y de la Universidad de Griffith (Australia) han construido un dispositivo cuántico que puede generar todos los futuros posibles en una superposición de posibilidades simultáneas.
"Cuando pensamos en el futuro, nos enfrentamos a una amplia gama de posibilidades", explica Mile Gu, el desarrollador del algoritmo cuántico que sustenta el prototipo, en un comunicado.
"Estas posibilidades crecen exponencialmente a medida que nos adentramos en el futuro. Por ejemplo, incluso si solo tenemos dos posibilidades para elegir cada minuto, en menos de media hora hay 14 millones de futuros posibles. En menos de un día, el número supera el número de átomos en el universo", añade.
Gu y su grupo de investigación señalan que un ordenador cuántico puede examinar todos los futuros posibles si a esos futuros se los coloca en una superposición cuántica, similar a la que relata el famoso gato de Schrödinger.
Según este experimento de pensamiento, ideado en 1935 por el físico austríaco Erwin Schrödinger para exponer una de las interpretaciones de la mecánica cuántica, un gato que está en una caja en la que hay por un lado comida y por otro veneno, está simultáneamente en dos estados posibles (vivo o muerto) hasta que el observador abre la caja y mira dentro a ver qué ha pasado. Sin saberlo, según este ejemplo, el observador determina la suerte del gato, aunque como hemos explicado en otro artículo, esta interpretación original ha tenido un largo recorrido teórico hasta nuestros días.
Muchos futuros simultáneos
Partiendo de esa superposición de estados, los investigadores desarrollaron un procesador cuántico que analiza el comportamiento de los fotones, que son las partículas cuánticas de la luz. A diferencia de las partículas clásicas, las partículas cuánticas pueden moverse en una superposición cuántica que involucra diferentes direcciones, es decir, avanzan a la vez en diferentes sentidos.
"El funcionamiento de este dispositivo está inspirado en el premio Nobel Richard Feynman", explica Jayne Thompson, otra de las investigadoras. "Cuando Feynman comenzó a estudiar física cuántica, se dio cuenta de que cuando una partícula viaja del punto A al punto B, no necesariamente sigue un solo camino. En cambio, recorre simultáneamente todos los caminos posibles que conectan los puntos A y B. Nuestro trabajo amplía este fenómeno para modelar futuros estadísticos", añade.
Lo que hicieron estos investigadores es atribuir a los fotones del dispositivo la representación de un proceso de toma de decisiones, según su ubicación. Es decir, si una decisión (como tomar el autobús o el metro) se aplica a un fotón en superposición, el dispositivo permite determinar lo que ocurrirá, tanto si vamos en autobús como en metro, en función de los caminos que recorrerá simultáneamente el fotón dentro del dispositivo.
De esta forma, convirtieron el dispositivo en una superposición de varios potenciales futuros, que se pueden ponderar matemáticamente en función de su probabilidad de ocurrencia.
"Cuando pensamos en el futuro, nos enfrentamos a una amplia gama de posibilidades", explica Mile Gu, el desarrollador del algoritmo cuántico que sustenta el prototipo, en un comunicado.
"Estas posibilidades crecen exponencialmente a medida que nos adentramos en el futuro. Por ejemplo, incluso si solo tenemos dos posibilidades para elegir cada minuto, en menos de media hora hay 14 millones de futuros posibles. En menos de un día, el número supera el número de átomos en el universo", añade.
Gu y su grupo de investigación señalan que un ordenador cuántico puede examinar todos los futuros posibles si a esos futuros se los coloca en una superposición cuántica, similar a la que relata el famoso gato de Schrödinger.
Según este experimento de pensamiento, ideado en 1935 por el físico austríaco Erwin Schrödinger para exponer una de las interpretaciones de la mecánica cuántica, un gato que está en una caja en la que hay por un lado comida y por otro veneno, está simultáneamente en dos estados posibles (vivo o muerto) hasta que el observador abre la caja y mira dentro a ver qué ha pasado. Sin saberlo, según este ejemplo, el observador determina la suerte del gato, aunque como hemos explicado en otro artículo, esta interpretación original ha tenido un largo recorrido teórico hasta nuestros días.
Muchos futuros simultáneos
Partiendo de esa superposición de estados, los investigadores desarrollaron un procesador cuántico que analiza el comportamiento de los fotones, que son las partículas cuánticas de la luz. A diferencia de las partículas clásicas, las partículas cuánticas pueden moverse en una superposición cuántica que involucra diferentes direcciones, es decir, avanzan a la vez en diferentes sentidos.
"El funcionamiento de este dispositivo está inspirado en el premio Nobel Richard Feynman", explica Jayne Thompson, otra de las investigadoras. "Cuando Feynman comenzó a estudiar física cuántica, se dio cuenta de que cuando una partícula viaja del punto A al punto B, no necesariamente sigue un solo camino. En cambio, recorre simultáneamente todos los caminos posibles que conectan los puntos A y B. Nuestro trabajo amplía este fenómeno para modelar futuros estadísticos", añade.
Lo que hicieron estos investigadores es atribuir a los fotones del dispositivo la representación de un proceso de toma de decisiones, según su ubicación. Es decir, si una decisión (como tomar el autobús o el metro) se aplica a un fotón en superposición, el dispositivo permite determinar lo que ocurrirá, tanto si vamos en autobús como en metro, en función de los caminos que recorrerá simultáneamente el fotón dentro del dispositivo.
De esta forma, convirtieron el dispositivo en una superposición de varios potenciales futuros, que se pueden ponderar matemáticamente en función de su probabilidad de ocurrencia.
Una aplicación para la IA
El dispositivo ya permite algo práctico: medir hasta qué punto una opción específica (ir en autobús o metro) impacta sobre el futuro de cada una de esas opciones.
El dispositivo, sin embargo, no está pensado para que nos ayude a conocer lo que pasa, tanto si tomamos el autobús como el metro. Al ser de naturaleza cuántica, sólo es válido para el universo de las partículas elementales.
Una de las principales aplicaciones se refiere a la posibilidad de mejorar los algoritmos empleados por la Inteligencia Artificial. "Muchos algoritmos de inteligencia artificial (IA) aprenden al ver cómo pequeños cambios en su comportamiento pueden llevar a futuros diferentes, por lo que nuestras técnicas pueden permitir que las IA mejoradas aprendan el efecto de sus acciones de manera mucho más eficiente", señala Geoff Pryde, miembro del grupo experimental.
Los investigadores señalan al respecto que, mientras su prototipo actual simula la mayoría de los 16 futuros simultáneamente, el algoritmo cuántico subyacente puede en principio escalar sin límite los futuros estadísticos posibles.
El dispositivo ya permite algo práctico: medir hasta qué punto una opción específica (ir en autobús o metro) impacta sobre el futuro de cada una de esas opciones.
El dispositivo, sin embargo, no está pensado para que nos ayude a conocer lo que pasa, tanto si tomamos el autobús como el metro. Al ser de naturaleza cuántica, sólo es válido para el universo de las partículas elementales.
Una de las principales aplicaciones se refiere a la posibilidad de mejorar los algoritmos empleados por la Inteligencia Artificial. "Muchos algoritmos de inteligencia artificial (IA) aprenden al ver cómo pequeños cambios en su comportamiento pueden llevar a futuros diferentes, por lo que nuestras técnicas pueden permitir que las IA mejoradas aprendan el efecto de sus acciones de manera mucho más eficiente", señala Geoff Pryde, miembro del grupo experimental.
Los investigadores señalan al respecto que, mientras su prototipo actual simula la mayoría de los 16 futuros simultáneamente, el algoritmo cuántico subyacente puede en principio escalar sin límite los futuros estadísticos posibles.
Referencia
Interfering trajectories in experimental quantum-enhanced stochastic simulation. Farzad Ghafari, et al. Nature Communications, volume 10, Article number: 1630 (2019). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-019-08951-2
Interfering trajectories in experimental quantum-enhanced stochastic simulation. Farzad Ghafari, et al. Nature Communications, volume 10, Article number: 1630 (2019). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-019-08951-2