Comprimidos por primera vez datos cuánticos

Una analogía cuántico de la compresión de datos se ha demostrado por primera vez en un laboratorio. Físicos que trabajan en Canadá y Japón han exprimido la información cuántica contenida en tres bits cuánticos (qubits) en dos qubits. La técnica podría allanar el camino para un uso más eficaz de memorias cuánticas y ofrece un nuevo método para probar los dispositivos de lógica cuántica.

La compresión de datos clásica es un procedimiento sencillo que permite que una cadena de información ocupe menos espacio en la memoria de una computadora. Dada una cadena sin adulterar de, por ejemplo, 1000 valores binarios, un ordenador podrían simplemente registrar la frecuencia de los 1s y 0s, lo que podrían requerir sólo una docena de valores binarios. El registro de la información sobre el orden de los 1s y 0s requeriría una cadena un poco más larga, pero probablemente todavía sería más corta que la secuencia original.

Los datos cuánticos son bastante diferentes, y no es posible determinar simplemente las frecuencias de 1 y 0 en una cadena de información cuántica. El problema se reduce a la naturaleza peculiar de los qubits, los cuales, a diferencia de los bits clásicos, puede ser 1, o 0 o una “superposición” de ambos valores. Un usuario puede efectivamente realizar una medición para registrar la “unicidad” de un qubit, pero tal medida destruiría cualquier información acerca de “cero-unos” del qubit. Aún más, si un usuario mide un segundo qubit preparado de forma idéntica, puede encontrar un valor diferente para su “unicidad”;  porque los qubits no especifican valores únicos, sino sólo la probabilidad de la medición de los resultados. Este último rasgo parece excluir la posibilidad de comprimir qubits incluso aunque sean idénticos, porque no hay manera de predecir qué valores clásicos se manifiestan en última instancia.

En 2010 los físicos Martin Plesch y Vladimír Buzek de la Academia de Ciencias de Eslovaquia en Bratislava dieron cuenta de que, si bien no es posible comprimir los datos cuánticos a la misma medida que los datos clásicos, un poco de compresión se puede lograr.Siempre y cuando se preserve la naturaleza cuántica de una serie de qubits idénticamente preparados, debería ser posible alimentarlos a través de un circuito que registrara sólo su naturaleza probabilística. Una grabación de este tipo requeriría exponencialmente menos qubits, y permitiría a un usuario guardar fácilmente la información cuántica en una memoria cuántica, algo que actualmente es un recurso limitado. Entonces, en algún momento posterior, el usuario puede decidir qué tipo de medición realizar con los datos.

“De esta manera se pueden almacenar qubits hasta que se sepa lo que interesa de ellos”, dice Aephraim Steinberg de la Universidad de Toronto. “Entonces se puede medir x si quieres saber x , o z si quieres saber z, mientras que si no almacenaran los qubits, se debería elegir qué medidas hacer al momento. “

Ahora, Steinberg y sus colegas han demostrado por primera vez la compresión cuántica con qubits fotónicos. Debido a que los qubits de fotones son actualmente muy difíciles de procesar en puertas lógicas cuánticas, el grupo de Steinberg recurrió a una técnica conocida como computación cuántica basada en medición, en el que los resultados de una puerta lógica “están construidos” para qubits que se preparan y entrelazan en la misma fuente. Los detalles son complejos, pero los investigadores lograron transferir la naturaleza probabilística de tres qubits en dos qubits.

Plesch dice que esta es la primera vez que se documenta la compresión de datos cuánticos, y cree que Steinberg y sus colegas han dado con un “buen truco” para hacer que funcione. “Este enfoque es, sin embargo, es difícil de lograr con un mayor número de qubits”, añade Plesch. “Dicho esto, considero que el trabajo que se presenta es una muy buena prueba de concepto para el futuro.”

Steinberg piensa que la compresión cuántica a mayor escala podría ser posible con diferentes tipos de qubits, como iones atrapados, que hasta ahora han demostrado ser más fáciles de manejar en grandes conjuntos. Un uso práctico para el proceso sería en los dispositivos de prueba cuántica utilizando un proceso conocido como tomografía cuántica, en la que muchos qubits idénticamente preparados se envían a través de un dispositivo cuántico para comprobar que está funcionando correctamente. Con la compresión cuántica, dice Steinberg, se podría llevar a cabo el experimento de la tomografía y decidir después qué aspecto del dispositivo es el que se quiere probar.

Pero mientras tanto, dice Steinberg, la demostración ofrece otra perspectiva sobre la extrañeza del mundo cuántico. “Si tuvieramos un libro lleno sólo con unos, se podría simplemente decir que es un libro lleno de queridos. Pero en mecánica cuántica, eso ya no es verdad. Incluso si te tenemos mil millones de fotones preparadas de forma idéntica, se puede obtener información diferente de cada uno. Para describir sus estados completamente se requeriría información clásica infinita.”

La investigación se describe en Physical Review Letters

Autor: Jon Cartwright