Los qubits tienen la particularidad de hallarse en los dos estados del bit clásico. Fuente: Clemens Adolphs/Wikimedia Commons
La compresión de información resulta fundamental en la comunicación digital moderna, pues permite reducir significativamente el espacio que ocupa un archivo dentro de un dispositivo de almacenamiento, así como concentrar gran cantidad de ficheros y carpetas en un solo archivo, ya sea de datos, audio o vídeo.
Se trata de un proceso bastante sencillo en la computación clásica, pero que plantea muchos interrogantes enfocado a la computación cuántica. Ahora, una investigación realizada en el seno del Instituto Canadiense para la Investigación Avanzada (CIFAR) ha demostrado que la información almacenada en bits cuánticos o qubits se puede comprimir exponencialmente en menos bits sin riesgo de pérdidas.
CIFAR es una organización de investigación que reúne a científicos y estudiosos de todo el mundo para abordar cuestiones de importancia global. En concreto, el estudio en cuestión se ha llevado a cabo desde el programa Quantum Information Science, que une a informáticos y físicos en un esfuerzo por aprovechar las confusas y fascinantes propiedades del mundo cuántico, con el objetivo final de desarrollar ordenadores cuánticos.
Según explica CIFAR en un comunicado, de momento se trata de una prueba de concepto, es decir, una implementación realizada únicamente para verificar que la actuación es posible, pero ya se ha constatado que podría ser útil tanto para mejorar las comunicaciones cuánticas como para el almacenamiento de información. El documento saldrá publicado en el próximo número de la prestigiosa revista científica Physical Review Letters.
Se trata de un proceso bastante sencillo en la computación clásica, pero que plantea muchos interrogantes enfocado a la computación cuántica. Ahora, una investigación realizada en el seno del Instituto Canadiense para la Investigación Avanzada (CIFAR) ha demostrado que la información almacenada en bits cuánticos o qubits se puede comprimir exponencialmente en menos bits sin riesgo de pérdidas.
CIFAR es una organización de investigación que reúne a científicos y estudiosos de todo el mundo para abordar cuestiones de importancia global. En concreto, el estudio en cuestión se ha llevado a cabo desde el programa Quantum Information Science, que une a informáticos y físicos en un esfuerzo por aprovechar las confusas y fascinantes propiedades del mundo cuántico, con el objetivo final de desarrollar ordenadores cuánticos.
Según explica CIFAR en un comunicado, de momento se trata de una prueba de concepto, es decir, una implementación realizada únicamente para verificar que la actuación es posible, pero ya se ha constatado que podría ser útil tanto para mejorar las comunicaciones cuánticas como para el almacenamiento de información. El documento saldrá publicado en el próximo número de la prestigiosa revista científica Physical Review Letters.
Superposición de estados
La compresión digital clásica es bastante sencilla, pues se basa fundamentalmente en buscar repeticiones en series de datos para después almacenar solo el dato junto al número de veces que se repite. Así, por ejemplo, en una cadena de 1.000 ceros y unos, si sólo interesan los ceros se pueden contar simplemente y escribir el número.
En el mundo cuántico es más complicado, ya que el principio fundamental es que una partícula (ya sea un átomo, un electrón o un fotón) puede hallarse en esos dos estados del bit clásico al mismo tiempo. Es lo que se conoce como superposición de estados. No sólo eso, sino que se pueden extraer diferentes valores dependiendo de la forma de realizar la medición. De esta forma, un qubit puede revelar un valor de cero o uno medido en una dirección, y resultar mayor o menor medido de otra manera.
Esto tiene muchas ventajas por la cantidad de información que se puede almacenar, pero se corre el riesgo de colapsar el estado cuántico del qubit. Y es que, una vez que se toma una medida, cualquier otra información que se podría haber querido extraer desaparece.
"Nuestra propuesta permitiría disponer de una memoria cuántica más pequeña, pero dejando la posibilidad de extraer el máximo de información posteriormente", matiza Aephraim M. Steinberg, investigador principal del programa Quantum Information Science.
La compresión digital clásica es bastante sencilla, pues se basa fundamentalmente en buscar repeticiones en series de datos para después almacenar solo el dato junto al número de veces que se repite. Así, por ejemplo, en una cadena de 1.000 ceros y unos, si sólo interesan los ceros se pueden contar simplemente y escribir el número.
En el mundo cuántico es más complicado, ya que el principio fundamental es que una partícula (ya sea un átomo, un electrón o un fotón) puede hallarse en esos dos estados del bit clásico al mismo tiempo. Es lo que se conoce como superposición de estados. No sólo eso, sino que se pueden extraer diferentes valores dependiendo de la forma de realizar la medición. De esta forma, un qubit puede revelar un valor de cero o uno medido en una dirección, y resultar mayor o menor medido de otra manera.
Esto tiene muchas ventajas por la cantidad de información que se puede almacenar, pero se corre el riesgo de colapsar el estado cuántico del qubit. Y es que, una vez que se toma una medida, cualquier otra información que se podría haber querido extraer desaparece.
"Nuestra propuesta permitiría disponer de una memoria cuántica más pequeña, pero dejando la posibilidad de extraer el máximo de información posteriormente", matiza Aephraim M. Steinberg, investigador principal del programa Quantum Information Science.
Resultados
Durante el experimento, Lee Rozema, investigador en el laboratorio de Steinberg y autor principal del artículo, preparó una red de qubits en forma de fotones, demostrando que la información contenida en tres qubits se puede comprimir en sólo dos.
Lo que es más, mostraron que la compresión cuántica tiene la particularidad de escalar de forma exponencial. Es decir, solo se requerirían 10 qubits para almacenar toda la información de cerca de 1.000 qubits, mientras se necesitarían 20 para guardar la de un millón.
La única advertencia de los investigadores es que los qubits que contengan esa información deben haberse preparado en un proceso idéntico. Afortunadamente, la mayoría de los experimentos con información cuántica se hacen usando únicamente ese tipo de qubits, por lo que esta prueba de concepto puede dar lugar a una técnica de gran utilidad.
"Este trabajo arroja luz sobre algunas de las diferencias más notables entre la información en el mundo clásico y cuántico. Asimismo, se compromete a proporcionar una reducción exponencial de la cantidad de memoria cuántica necesaria para ciertas tareas", asegura Steinberg.
Durante el experimento, Lee Rozema, investigador en el laboratorio de Steinberg y autor principal del artículo, preparó una red de qubits en forma de fotones, demostrando que la información contenida en tres qubits se puede comprimir en sólo dos.
Lo que es más, mostraron que la compresión cuántica tiene la particularidad de escalar de forma exponencial. Es decir, solo se requerirían 10 qubits para almacenar toda la información de cerca de 1.000 qubits, mientras se necesitarían 20 para guardar la de un millón.
La única advertencia de los investigadores es que los qubits que contengan esa información deben haberse preparado en un proceso idéntico. Afortunadamente, la mayoría de los experimentos con información cuántica se hacen usando únicamente ese tipo de qubits, por lo que esta prueba de concepto puede dar lugar a una técnica de gran utilidad.
"Este trabajo arroja luz sobre algunas de las diferencias más notables entre la información en el mundo clásico y cuántico. Asimismo, se compromete a proporcionar una reducción exponencial de la cantidad de memoria cuántica necesaria para ciertas tareas", asegura Steinberg.