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El arma secreta de la óptica cuántica: ¿Cómo Boson Sampling rompe los límites de la informática?
En el campo de la computación cuántica, el muestreo de bosones, como una dirección de investigación importante, no solo nos proporciona un nuevo modelo de computación, sino que también puede romper los límites de la computación tradicional. Este modelo fue propuesto por primera vez por los científicos Scott Aaronson y Alex Arkhipov. Se basa en el comportamiento de dispersión de ondas homogéneas en un interferómetro óptico y demuestra su capacidad de cálculo única.
El muestreo de bosones es un modelo de computación cuántica restringido y no universal que se basa en el muestreo de la distribución de probabilidad de dispersión de ondas en un interferómetro lineal.
El núcleo del modelo reside en su proceso de muestreo, que implica inyectar un circuito óptico con N modos en M fotones indistinguibles (N > M). Cuando estos fotones pasan a través del interferómetro, se genera una salida en la que los resultados de la medición corresponden a valores permanentes de una matriz compleja. Dado que calcular el valor permanente es uno de los problemas NP-difíciles, esto hace que el muestreo de bosones sea muy desafiante en términos de complejidad.
Los componentes clave para implementar el muestreo de bosones incluyen fuentes de fotones únicos eficientes, interferómetros lineales y detectores. Las fuentes de fotón único más comunes en la actualidad son cristales de conversión descendente paramétricos, mientras que los detectores pueden fabricarse utilizando nanocables superconductores polarizados por corriente eléctrica. En comparación con los modos generales de computación cuántica, el muestreo de bosones no requiere bits cuánticos adicionales, mediciones adaptativas ni operaciones de entrelazamiento, lo que lo hace más eficiente en recursos físicos.
Aunque el muestreo de bosones no es un modelo informático universal, puede realizar muchas tareas que no se pueden lograr fácilmente con computadoras clásicas con menos recursos físicos.
En el trabajo de muestreo de bosones, el proceso básico es medir un conjunto de entradas de fotones individuales conocidas, y la distribución de probabilidad de la población está altamente correlacionada con el estado de salida después de que los fotones se dispersan. En concreto, al calcular la probabilidad de que se detecte un fotón cuando llega a la salida, en realidad estamos realizando un cálculo de un valor permanente, lo cual es complejo y computacionalmente desafiante.
Algunos estudios creen que la existencia del muestreo de bosones puede tener un impacto significativo en los fundamentos teóricos actuales de la informática. Según el análisis de complejidad computacional del modelo actual, si no existe un algoritmo clásico eficiente para simular el muestreo de bosones, significa que el nivel de complejidad computacional no se puede simplificar, lo que ha provocado una amplia discusión en la informática.
Para la simulación del muestreo de bosones, si se puede encontrar un algoritmo clásico eficiente, esto anunciará el colapso de la jerarquía polinomial, lo que se considera extremadamente improbable en la comunidad informática.
Además, la verificación del muestreo de bosones también ha despertado el interés del mundo académico, ya que es a la vez peligroso y factible. Muchos científicos están trabajando arduamente para desarrollar herramientas y algoritmos de medición más precisos, con la esperanza de hacer realidad este modelo en un futuro cercano. Para los dispositivos de muestreo de bosones escalables, explorar su potencial de aplicación en el procesamiento de información cuántica se ha convertido en uno de los focos de investigación.
En última instancia, ¿cómo afectará el muestreo de bosones al futuro de la teoría computacional? ¿Podemos esperar presenciar su aplicación y desarrollo en el mundo real en un futuro próximo?
