Conferencia #Quantum13: El timo del ordenador cuántico comercial

Mi charla de 10 minutos en Passion for Knowledge – Naukas Quantum 13, impartida el miércoles 2 de octubre en San Sebastián/Donostia discuto los fundamentos de la computación cuántica y trato de explicar por qué el llamado “ordenador cuántico comercial” de la compañía D-Wave Systems no es un ordenador realmente cuántico. En 10 minutos no hay mucho tiempo para presentar los detalles técnicos, pero espero que te guste la charla. Tienes más detalles en “Por qué el ordenador “cuántico” D-Wave Two no es cuántico,” 27 Ago 2013; “Nuevo algoritmo de corrección de errores en recocido cuántico,” 02 Ago 2013; “Por primera vez en la historia se vende un ordenador cuántico “D-Wave One”,” 6 Jun 2011; y otras más.

Francis en Quantum Naukas Donosti y los ordenadores cuánticos

Dibujo20130903 naukas quantum donosti - banner

Hoy miércoles 2 de octubre de 2013 a las 19:50 podrás disfrutar vía streaming en directo de mi charla de 10 minutos “El timo del ordenador cuántico comercial” en el evento Naukas Quantum (anuncio oficial en Naukas). En el escenario del Teatro Victoria Eugenia, Donostia (San Sebastián), España, podrás disfrutar de múltiples charlas cortas de 10 minutos sobre divulgación de la ciencia. Charlas sencillas, dinámicas, divertidas y originales.

Dibujo20130730 program - naukas quantum

Para ir abriendo boca, te dejo un vídeo youtube de mi charla “Quantum Computer Simulations using Supercomputers,” que ofrecí en el HPC Advisory Council Spain Workshop 2012 en Málaga (septiembre de 2012). El sonido no está muy bien (se grabó con un micrófono puesto en la mesa) y está en inglés (mi pronunciación no es muy buena, pero quizás por ello será más fácil de entender para los hispanohablantes).

En Donostia mi charla será en español. Si te apetece, ¡nos vemos en Donostia!

Sólo para frikis que quieran usar un ordenador cuántico

Dibujo20130906 qcloud - centre for quantum photonics - university bristol

El gran problema de los ordenadores cuánticos es la falta de algoritmos. Muchos jóvenes frikis desarrollarían gratis algoritmos cuánticos si pudieran, pero no tienen acceso a un ordenador cuántico donde ejecutarlos. El profesor Jeremy O’Brien de la Univ. de Bristol lo sabe y ha anunciado hoy, 6 de septiembre, el proyecto Qcloud: Acceso gratis a un simulador de su ordenador cuántico (que utiliza tecnologías fotónicas). Los algoritmos que funcionen de forma correcta en el simulador podrán solicitar ser ejecutados en su ordenador cuántico de verdad de forma gratuita. Gracias a ello cualquier joven friki podrá desarrollar algoritmos cuánticos y ejecutarlos en un ordenador cuántico de verdad. ¿Te animas? ¿A qué estás esperando? Regístrate en la web bristol.ac.uk/quantum-computing, donde podrás leer los manuales y las guías de usuario del simulador, dale al coco y ponte a desarrollar algoritmos cuánticos, ¿no te gustaría ser el primero en usar un ordenador cuántico gracias a Qcloud? Nos lo cuentan en “Quantum in the Cloud,” Press release, Univ. Bristol, 6 Sep. 2013; me he enterado gracias a un tuit de Jorge Barreto (@GHKBarreto).

Por qué el ordenador “cuántico” D-Wave Two no es cuántico

Dibujo20130827 D-Wave Quantum Computers

Lo he dicho en varias ocasiones en este blog, pero conviene repetirlo. Un ordenador montado a base de conectar 512 cubits (bits cuánticos) superconductores no es un ordenador cuántico. Para serlo además debe demostrar que durante su operación estos cubits están entrelazados entre sí; si no lo están, estos cubits se comportan como bits probabilísticos y es un ordenador clásico no determinista sin paralelismo cuántico. La compañía canadiense D-Wave no ha demostrado que su ordenador D-Wave Two con 512 cubits sea un ordenador cuántico, por tanto es un ordenador clásico no determinista. Esta hipótesis queda confirmada al analizar con ojos críticos los resultados de D-Wave Two que han sido publicados por la propia compañía. Más aún, ni siquiera es un ordenador de propósito general, capaz de ejecutar un algoritmo no determinista arbitrario; se trata de un ordenador de propósito específico que ejecuta un único algoritmo, el recocido cuántico, la versión con cubits del recocido simulado (simulated annealing). Esta entrada viene a colación por el artículo de Jesse Dunietz, “Quantum Computing Disentangled: A Look behind the D-Wave Buzz,” Scientific American, Aug 27, 2013.

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Nuevo algoritmo de corrección de errores en recocido cuántico

Dibujo20130802 connectivity graph D-Wave One -Rainier- and D-Wave Two -Vesuvius

El recocido cuántico (“quantum annealing”) es una forma de computación cuántica para la resolución de problemas de optimización combinatoria que presenta grandes ventajas (speedups) en algunos algoritmos respecto a las implementaciones basadas en el recocido simulado clásico (“simulated annealing”). Pero esta técnica no es ventajosa con un gran número de cubits sino se usan técnicas de corrección de errores. La nueva técnica llamada QAC se ha mostrado usando 344 cubits superconductores en los ordenadores D-Wave One (“Rainier”) y D-Wave Two (“Vesuvius”) de la compañía canadiense D-Wave Systems. El problema resuelto se codifica con 86 cubits, siendo el resto de los cubits necesarios para la corrección de errores. El artículo técnico, para los interesados en los detalles, es Kristen L. Pudenz, Tameem Albash, Daniel A. Lidar, “Error corrected quantum annealing with hundreds of qubits,” arXiv:1307.8190, Subm. 31 Jul 2013.

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Factorizan un número entero de 20.000 bits utilizando el algoritmo cuántico de Shor pero con “truco”

Dibujo20130710 Experimental data from unbiased coins - Shor compiled algorithm

El paradigma de los algoritmos cuánticos es el algoritmo de Shor para factorizar números enteros. Para reducir el número de cubits necesarios se puede utilizar un truco llamado “precompilación” basado en conocer a priori los factores del número. Gracias a esta técnica, usando dos cubits en una implementación semiclásica, se han factorizado el número RSA-768 (de 768 bits) y el llamado N-20000 (de 20.000 bits). Sin el truco de la precompilación del algoritmo de Shor hubieran sido necesarios 1.154 cubits y 30.002 cubits, resp. Dicho truco no es aplicable cuando no se conocen los factores del número por lo que no puede utilizarse en criptoanálisis de claves públicas. Además, dicho truco puede utilizarse incluso en una implementación clásica del algoritmo de Shor utilizando números aleatorios generados tirando monedas (que salga cara H o cruz T); el nuevo récord se ha obtenido usando dicho truco. Pero lo importante a destacar es que, hasta el momento, el algoritmo de Shor nunca ha sido implementado en un ordenador cuántico de forma completa (sin “precompilación”). El artículo técnico es John A. Smolin, Graeme Smith, Alexander Vargo, “Oversimplifying quantum factoring,” Nature 499: 163–165, 11 Jul 2013. Este artículo me viene ni que pintado porque el viernes 12 de julio imparto el curso “Presente y futuro de la computación cuántica” en un curso de verano “Alan M. Turing: Enigmático, visionario y condenado,” coordinado por Ernesto Pimentel, director de la E.T.S.I. Informática de la Universidad de Málaga, que se imparte en Veléz Málaga.

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Francis en Trending Ciencia: La física cuántica de la fotosíntesis

Dibujo20130519 Quantum Secrets of Photosynthesis Revealed

Sigue este enlace si quieres escuchar mi nuevo podcast en Trending Ciencia, que contesta una pregunta/petición formulada por Ces. Como siempre una transcripción del audio.

He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física la respuesta a una pregunta que me ha hecho uno de los lectores de mi blog, Ces, sobre la fotosíntesis y la física cuántica. Ces ha leído que la tasa de conversión de fotones en electrones en la clorofila alcanza el 90% gracias a la física cuántica. En realidad se trata de un mito. Igual que es falso que sólo usemos el 10% de nuestro cerebro, también es falso que la fotosíntesis tenga una eficiencia de más del 90%. La eficiencia máxima de la fotosíntesis como proceso bioquímico que produce biomasa a partir de radiación solar tiene una eficiencia máxima que ronda el 10%. Si sólo tenemos en cuenta los procesos que ocurren en las moléculas de clorofila, la eficiencia de la conversión de la energía de los fotones incidentes en el proceso de transferencia de electrones tiene una eficiencia que ronda el 50%. La eficiencia de más del 90% se refiere al proceso llamado “hopping” por el cual el fotón incidente en una molécula de clorofila produce una onda de tipo excitón que se mueve de forma sucesiva por varias moléculas de clorofila hasta alcanzar la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia de un electrón entre dos moléculas, una dadora de electrones y otra aceptora de electrones. Permíteme que explique todo esto en más detalle.

Dibujo20130519 The distributions of energy density of solar spectrum

La luz del Sol que es activa para la fotosíntesis es la que se encuentra en la banda entre 400 y 700 nm; recuerda que la luz con 400 nm tiene color azul y que la luz con 700 nm tiene color rojo. Como la clorofila absorbe mal en el centro de esta banda, los colores verdes, las hojas de los árboles son verdes (en lugar de negras). Se estima que como mínimos el 5% (y en muchos casos hasta el 10%) de la luz solar en la banda de 400 a 700 nm que incide sobre las hojas de las plantas se refleja y por tanto no es útil para la fotosíntesis.

Los fotones que inciden sobre la molécula de clorofila provocan su transición energética a un estado excitado, cuya relajación posterior se utiliza para producir energía. Los fotones en la banda activa para la fotosíntesis, entre 400 y 700 nm, tienen una energía media por mol de fotones de 205 kJ (kilojulios). La energía necesaria para activar el sistema fotosintético fotosistema II (PSII) es la de un fotón con una longitud de onda de 680 nm, es decir, de unos 176 kJ/mol. Por otro lado, para el sistema fotosintético fotosistema I (PSI) es la energía de un fotón de 700 nm, es decir, 171 kJ/mol. Por tanto, en promedio, el 6,6% de la energía solar incidente se pierde en forma de calor durante la relajación de los estados excitados de la clorofila.

También se pierde energía en el ciclo de Calvin que sintetiza los carbohidratos a partir de CO2 y la energía capturada. En la fotosíntesis C3, el ciclo de Calvin consume tres moléculas de ATP (adenosín trifosfato) y dos de NADPH (nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosfato) para asimilar una molécula de CO2 (dióxido de carbono) en un carbohidrato (glucosa) y generar la molécula necesaria para cerrar el ciclo. La síntesis de las tres moléculas de ATP requiere 12 protones (4 cada una) y las dos  moléculas de NADPH requiere absorber 8 fotones.  Todo esto por cada molécula de CO2 asimilada, proceso que requiere una energía de 1388 kJ por mol. Un sexto de un mol de glucosa, es decir, el carbono que le aporta la molécula de CO2, contiene unos 477 kJ. Por ello, en el ciclo de Calvin para la fotosíntesis C3 se pierde el 24,6% de la energía solar incidente. Sumando todos los efectos, en la fotosíntesis C3 la máxima cantidad de energía solar que se transforma en carbohidratos es del 12,6%.

Algo parecido ocurre en el caso de la fotosíntesis C4. Hay tres subtipos para el ciclo de Calvin en este caso. Sin entrar en detalles, se pierde el 28,7%  de la energía contenida en la radiación solar incidente. Por tanto la eficiencia máxima de conversión de energía en la fotosíntesis C4 se estima en un 8,5%. Pero no queda todo ahí, también hay pérdidas adicionales en la respiración que se produce en la mitocondria. Estas pérdidas dependen de varios factores. De nuevo sin entrar en detalles, se estima que entre el 30% y el 60% del a energía se pierde.

Dibujo20130519 Minimum energy losses calculated for 1000 kJ of incident solar radiation at each discrete step of the plant photosynthetic process

En resumen, tomando el porcentaje mínimo para todas las pérdidas de energía que hemos indicado, la eficiencia máxima de conversión de energía del Sol en biomasa en la fotosíntesis C3 es del 4,6% (de cada 1000 kJ de energía incidente sólo se transforma en biomasa 46 kJ) y en la fotosíntesis C4 es del 6,0% (de cada 1000 kJ de energía solar incidente sólo se transforma en biomasa 60 kJ).

Artículo técnico para los interesados en los detalles de estos cálculos: X.G. Zhu, S.P. Long, D.R. Ort, “What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass?,” Curr. Opin. Biotechnol. 19: 153-159, 2008.

Por supuesto, los oyentes me dirán que he tenido en cuenta demasiados efectos y que Ces en mi blog sólo estaba interesado en la eficiencia de la conversión de fotones en electrones en la clorofila. Permíteme considerar este proceso en detalle.

Dibujo20130519 Three representative pigment protein complexes involved in natural photosynthesis

Un fotón incide sobre una “antena” molecular, un complejo proteíco formado por varias proteínas que contiene los pigmentos fotosintéticos (pongamos que sean moléculas de clorofila) y es absorbido excitando una molécula de clorofila, es decir, un electrón pasa desde un estado HOMO (siglas de orbital molecular ocupado de mayor energía) hasta un estado excitado no ocupado de mayor energía. Pocos picosegundos más tarde, esta molécula excitada decae, es decir, el electrón pasa desde el estado excitado a un estado LUMO (siglas de orbital molecular desocupado de menor energía) emitiendo un nuevo fotón. En este proceso la molécula vibra y pierde energía disipando calor. Obviando esta disipación térmica, la diferencia de energía entre los estados HOMO y LUMO debe corresponder a la energía del fotón absorbido por la molécula y a la energía del fotón emitido.

En las antenas moleculares fotosintéticas hay varias moléculas de clorofila que se excitan en secuencia a saltos (en inglés se habla de “hops” y al proceso se le llama “hopping” [también se utiliza el término “transferencian del excitón”]. Estos saltos acaban en una molécula de clorofila especial llamada clorofila “P” cuyo papel es la conversión del fotón en un electrón. La clorofila P está cerca de dos moléculas, una aceptora de electrones y otra dadora de electrones (DPA). Cuando la clorofila P se excita con un fotón (DP*A), decae en un proceso con dos etapas separadas: en la primera etapa transfiere un electrón a la molécula aceptora de electrones (DP+A-) y en la segunda etapa recibe un electrón de la molécula dadora de electrones (D+PA-), quedando en un estado no excitado tras este proceso.

La eficiencia energética de este proceso de conversión de energía la de un fotón en la transferencia de un electrón se puede calcular usando las leyes de la termodinámica. Podemos suponer que se trata de un ciclo de Carnot con un foco caliente, la energía de la molécula excitada, y un foco frío, la energía de la molécula en su estado fundamental. Asumiendo que la molécula de clorofila se comporta como una molécula en un gas, el cálculo resulta en una eficiencia máxima del 75%. Sin embargo, la clorofila in vivo no está en un gas y se encuentra acoplada a proteínas, lo que reduce la eficiencia a un valor entre el 57% y el 67%. Y en estos cálculos se ha omitido el trabajo requerido en las transiciones en las moléculas aceptora y dadora de electrones, lo que reduce la eficiencia de este ciclo de Carnot en como mínimo un 7% adicional.

En resumen, la eficiencia de la conversión de energía de un fotón a la de un electrón ronda el 60% en el mejor caso, siendo lo habitual que no supere el 50%. Pero entonces, ¿por qué comenta Ces en mi blog que ha leído que la eficiencia cuántica de la conversión de un fotón en un electrón en la fotosíntesis supera el 90%?

Más información sobre estos cálculos en Jérôme Lavergne, Pierre Joliot, “Thermodynamics of the Excited States of Photosynthesis,” BTOL-Bioenergetics, 2000 [pdf gratis].

La razón es sutil, pero sencilla. La eficiencia superior al 95% en la transferencia de energía en la fotosíntesis que mucha gente escribe en artículos de divulgación (yo mismo lo he escrito en mi blog en 2009) se refiere a la transferencia de los fotones entre moléculas de clorofila cercanas. El proceso que lleva los fotones desde la molécula de clorofila que ha capturado el fotón de la luz solar y la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia del electrón. El proceso de “hopping” tiene una eficiencia cercana al 95% gracias a la física cuántica, como se publicó en la revista Nature en el año 2007. Podemos decir que en este proceso de “hopping” se ejecuta un algoritmo cuántico de búsqueda que canaliza el fotón hasta la clorofila “P”.

En mi blog puedes leer “La conexión entre la fotosíntesis y los algoritmos cuánticos,” 2009, y “Publicado en Nature: Biología cuántica y computación cuántica adiabática en la fotosíntesis a temperatura ambiente,” 2010.

En 2007, Gregory S. Engel (de la Universidad de California en Berkeley) y sus colegas estudiaron la fotosíntesis en la bacteria fototrópica verde del azufre (Chlorobium tepidum). Según su estudio experimental mediante espectroscopia bidimensional utilizando la transformada de Fourier, el proceso de “hopping” corresponde a la propagación coherente de una onda cuántica de tipo excitón que transfiere la energía del fotón capturado hasta el centro químico activo donde se realiza la transferencia del electrón [por eso al “hopping” también se le llama transferencian del excitón]. La onda cuántica se propaga por las moléculas de clorofila durante cientos de femtosegundos y se comporta como si “visitara” de forma simultánea varios caminos posibles y eligiera el óptimo para llegar al centro activo. Engel y sus colegas afirmaron en su artículo de 2007 que el proceso es análogo al algoritmo cuántico de Grover, capaz de buscar un elemento dado en un vector de n componentes desordenadas en un número de pasos igual a la raíz cuadrada de n (cuando un algoritmo clásico requiere mirar al menos todos los elementos, es decir, un tiempo proporcional a n). Aunque el estudio experimental publicado en el año 2007 se realizó con a baja temperatura, unos 77 Kelvin, los autores afirmaron que el mismo mecanismo debe ocurrir a temperatura ambiente.

Recomiendo leer a Roseanne J. Sension, “Biophysics: Quantum path to photosynthesis,” News and Views, Nature 446: 740-741, 12 April 2007. El artículo técnico original es Gregory S. Engel et al. “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems,” Nature 446: 782-786, 12 April 2007.

De hecho, en el año 2010, se publicó en Nature otro artículo que comprobó dicho hipótesis, demostrando que el que dicho mecanismo también se da a temperatura ambiente. Elisabetta Collini (de la Universidad de Padua, Italia, aunque realizó la investigación trabajando en la Universidad de Toronto, Canadá) y sus colegas demostraron en un alga fotosintética que el mecanismo de “hopping” utiliza la coherencia cuántica incluso a temperatura ambiente. Pero repito, estos estudios, no implican que la eficiencia de la conversión de los fotones en electrones sea superior al 90%, como me preguntaba Ces en mi blog.

Recomiendo leer a Rienk van Grondelle, Vladimir I. Novoderezhkin, “Photosynthesis: Quantum design for a light trap,” Nature 463: 614-615, 4 Feb 2010. El artículo técnico es Elisabetta Collini et al., “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature,” Nature 463: 644-647, 4 Feb 2010.

En resumen, espero haber contestado la pregunta de Ces de forma satisfactoria, aunque haya omitido muchos detalles técnicos. La fotosíntesis como proceso de conversión de energía solar en biomasa tiene una eficiencia máxima alrededor del 10%. El proceso fundamental que ocurre en la clorofila que permite la conversión de la energía de un fotón en la transferencia de un electrón tiene una eficiencia del orden del 50%. Y el proceso cuántico que tiene una eficiencia superior al 90% es el proceso de “hopping” por el que el fotón capturado en una molécula de clorofila recorre varias moléculas hasta llegar a la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia del electrón como tal.

Y esto es todo por hoy. Si te ha gustado la trancripción y quieres oír el podcast, sigue este enlace en Trending Ciencia.

Francis en Trending Ciencia: El entrelazamiento entre cubits de diamante

Dibujo20130428 diamond qubits based on nitrogen defects

Disfruta de mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física una noticia sobre mecánica cuántica, en concreto, un nuevo récord de distancia en el entrelazamiento de dos cubits de estado sólido implementados mediante cristales de diamante (ya hablé de ello en este blog). El grupo de investigación del Prof. Ronald Hanson, de la Universidad Técnica de Delft, Países Bajos, ha publicado online en Nature el pasado 24 de abril un artículo cuyo primer autor es su estudiante de doctorado Hannes Bernien, que ya apareció en el servidor de preprints arxiv el 26 de diciembre del año pasado, en concreto, el artículo arxiv:1212.6136.

El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013 [arXiv:1212.6136]. Recomiendo leer también a Richard Van Noorden, “Diamond shows promise for a quantum Internet. Crystal could be used to connect distant quantum networks,” Nature News, 24 Apr 2103.

Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es muy difícil pues se requiere un protocolo con una partícula que actúa como mediadora que recorra dicha distancia. Entrelazar dos cubits implementados con diamante en una distancia de 3 metros parece poco, pues esta distancia es muy pequeña comparada con los casi 200 km que se logran con cubits implementados con fotones, pero trabajar con cubits implementados con diamante es mucho más difícil.

Pero antes de discutir más sobre este logro, permíteme recordar qué es el entrelazamiento cuántico, qué son los cubits implementados en celdas de diamante y por qué son tan interesantes.

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Entrelazan dos cubits de estado sólido en una distancia de tres metros

Dibujo20130424 Experimental set-up and protocol for generating long-distance entanglement between two solid-state spin qubits

Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es difícil pues se requiere un protocolo con un mediador que recorra dicha distancia. H. Bernien (Universidad Técnica de Delft, Holanda) y sus colegas han logrado entrelazar dos cubits codificados en el espín de electrones en dos celdas de diamante utilizando fotones como mediadores. La gran ventaja de la implementación de cubits en estado sólido es la posibilidad de utilizar técnicas de nanotecnología (nanofabricación), lo que facilita la escalabilidad del diseño. Este logro allana el camino hacia el uso de cubits de estado sólido en la futura red de internet cuántica, routers cuánticos y protocolos de teletransporte cuántico. El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013.

Un cubit se puede almacenar en el espín electrónico de un átomo de nitrógeno que actúe como defecto en una red cristalina de carbono (diamante). El espín electrónico permite representar los dos estados del cubit como  |↑> y |↓> en los estados S=0 y S=1, resp., que pueden ser controlados de forma individual con pulsos de microondas. El uso de fotones como mediadores en el protocolo tiene el problema de que la eficiencia no es perfecta, hay pérdida de fotones y los detectores pueden fallar. Para reducir estos efectos Bernien y sus colegas han utilizado un sistema redundante de doble vuelta, utilizando dos fotones como mediadores que van y vienen entre los dos cubits en sendas rondas. El resultado es un protocolo robusto contra la pérdida de fotones.

Por cierto, un título más chic para esta entrada sería “La internet cuántica del futuro gracias a los chips de diamante,” en la línea de Richard Van Noorden, “Diamond shows promise for a quantum Internet. Crystal could be used to connect distant quantum networks,” Nature News, 24 Apr 2013, pero me ha parecido demasiado chic. Quizás los futuros ordenadores cuánticos utilicen cubits de estado sólido en cristales de diamante, es decir, sean “chips cuánticos de diamante,” pero, la verdad, me parece un poco sensacionalista decirlo.

Ya lo conté en “Un diamante, el mejor amigo de una mujer, especialmente si es ingeniera en ordenadores cuánticos.” Los cubits de diamante son muy prometedores desde que el año pasado se demostró que podían superar la decoherencia durante decenas de milisegundos y que podían permitir el desarrollo de memorias cuánticas capaces de retener un cubit durante un segundo (“Gran avance en memorias cuánticas para almacenar cubits con el espín nuclear“). Pero, por supuesto, como siempre, sólo el tiempo dirá cuál es la tecnología ganadora que nos llevará hacia la internet cuántica del futuro y hacia los ordenadores cuánticas (ambas tecnologías no tienen por qué ser la misma).

Nuevo test para certificar el entrelazamiento y la no localidad en un sistema cuántico

Dibujo20130424 test RUV - quantum system as black box

Quieres comprar el ordenador cuántico o el sistema de criptografía cuántica que la empresa “fulanita” te vende. ¿Quién te certifica que es un sistema cuántico que usa el entrelazamiento y la no localidad? No puedes confiar a ciegas en lo que te diga la empresa. Tampoco puedes verificar la desigualdad de Bell (1964) o la CHSH, por Clauser, Horne, Shimony y Holt (1969), pues para ello tienes que acceder a las “tripas” del sistema y la empresa “fulanita” te quitará la garantía. Se acaba de publicar en Nature la solución a tu problema. Ben W. Reichardt (Universidad del Sur de California, Los Angeles, EE.UU.), Falk Unger (Knight Capital Group, Santa Clara, California EE.UU.) y Umesh Vazirani (Universidad de California, Berkeley, EE.UU.) han publicado una nueva versión del test CHSH mucho más fácil de verificar en la práctica, al que podemos bautizar como test RUV (por Reichardt, Unger y Vazirani). Nos lo cuentan Stefano Pironio, Dorit Aharonov, “Quantum physics: A grip on misbehaviour,” Nature 496: 436–437, 25 Apr 2013; el artículo técnico es Ben W. Reichardt, Falk Unger, Umesh Vazirani, “Classical command of quantum systems,” Nature 496: 456–460, 25 Apr 2013.

El test RUV verifica las correlaciones cuánticas entre dos sistemas que se comportan como cajas negras a las que podemos acceder sólo mediante una interfaz clásica muy sencilla. En concreto, el observador externo sólo puede realizar a cada caja negra dos preguntas pulsando sendos botones marcados con “0” y “1”, a las que el sistema puede contestar con sólo dos respuestas, también marcadas con “0” y “1” (ver la figura que abre esta entrada). El observador externo no sabe lo que significan estas preguntas (qué propiedades físicas del sistema estudian) e ignora el proceso que produce las respuestas. El sistema se puede consultar tantas veces como se desee. Las correlaciones cuánticas no triviales entre ambos sistemas dejan una marca en las respuestas clásicas que permite verificar la no localidad y el entrelazamiento entre ellos con una certeza similar al test CHSH. El nuevo test RUV promete entrar con brío en el panorama del procesado de información cuántica, la criptografíca cuántica y la computación cuántica. 

Quizás puedas pensar que un ordenador cuántico está todavía lejos y que el test RUV tiene poca utilidad práctica, pero te equivocas. Ya hace más de una década que se pueden adquirir sistemas de cifrado de alta seguridad basados en criptografía cuántica para la distribución cuántica de claves (QKD). ¿Son seguras las implementaciones de estos protocolos que se venden comercialmente? ¿Qué nivel de seguridad tienes estas implementaciones comerciales? O lo que es más importante, ¿puedes confiar en la empresa que los comercializa?

Cualquiera puede utilizar el nuevo test RUV para verificar y/o certificar si un sistema QKD comercial funciona como tiene que funcionar, tomando dicho sistema como una caja negra a la que podemos interrogar con información clásica. Un proceso parecido a un interrogatorio de un policía a dos ladrones sobre un crimen; aunque el policía no sepa nada sobre el crimen puede verificar la consistencia de las respuestas de ambos ladrones para certificar su autoría. Tiempo al tiempo, para todo augura que pronto habrá empresas de certificación de sistemas cuánticos basadas en protocolos similares al test RUV a las que recurrirán tanto los usuarios finales como las propias empresas fabricantes. Como dicen que dijo Michael Faraday al primer ministro británico: “algún día, señor, cobrará impuestos por esto.”