Un juego pone a prueba el comportamiento cuántico con hasta 55 cúbits

¿Cómo comprobar si un procesador utiliza propiedades cuánticas de una manera que una estrategia clásica no puede reproducir? Un estudio publicado el 5 de septiembre en Nature Communications propone una prueba en forma de juego. El equipo de Marcello Benedetti y Harry Buhrman, de Quantinuum, estableció reglas que permiten demostrar matemáticamente el límite clásico y después lo contrastó con resultados de un procesador real.

El juego comienza con secuencias de ceros y unos, todas de la misma longitud. Un árbitro divide las secuencias posibles en dos grupos del mismo tamaño y mantiene la división en secreto. El jugador recibe una sola copia de un estado cuántico preparado a partir del primer grupo y debe devolver una secuencia del segundo. En la estrategia clásica considerada, el estado recibido se mide de inmediato y revela únicamente una secuencia del primer grupo. Esa información permite descartar la secuencia conocida, pero deja gran incertidumbre sobre las demás: al aumentar la longitud, la mejor tasa de acierto clásica se aproxima a la mitad de los intentos.

El jugador cuántico puede actuar antes de esa medición. El estado recibido combina las posibilidades del primer grupo en una superposición: participan juntas en la evolución física del sistema, aunque la medición final revela una sola respuesta. Un circuito reorganiza las amplitudes, magnitudes que determinan las probabilidades de medición, para trasladar las posibilidades al grupo complementario. En el modelo ideal, sin errores, la respuesta pasa a pertenecer siempre al segundo grupo. Los investigadores eligieron divisiones cuya estructura matemática permite preparar el estado y verificar la respuesta de manera eficiente.

El equipo ejecutó el protocolo en H2, un procesador que almacena información cuántica en iones atrapados, utilizando hasta 55 cúbits, las unidades de esa información. La configuración más grande trabajó con secuencias de 37 bits. Para evaluar el dispositivo, los investigadores combinaron rondas del juego con rondas que comprobaban la preparación del estado. La puntuación conjunta disminuyó en las configuraciones más grandes, afectadas por más errores, pero se mantuvo por encima del límite clásico en las pruebas descritas.

El crecimiento exponencial destacado en el artículo se refiere a una razón entre puntuaciones ajustadas: el exceso de la puntuación cuántica sobre una referencia se compara con el máximo exceso clásico sobre esa misma referencia. No significa que la tasa de acierto creciera exponencialmente ni que H2 ejecutara un programa exponencialmente más rápido. La contribución es un procedimiento verificable para distinguir ambos comportamientos bajo reglas explícitas de acceso a la información.

El estudio muestra, por tanto, una forma de probar procesadores cuánticos con un límite clásico demostrado, sin depender de conjeturas sobre la dificultad de resolver determinados problemas. El siguiente paso propuesto es realizar el juego entre dispositivos físicamente separados, conectados por un canal cuántico real. En el experimento presentado, los papeles de árbitro y jugador se implementaron dentro del mismo procesador.