La computación cuántica contrafactual es un método para inferir el resultado de una computación sin realmente ejecutar una computadora cuántica que de otra manera sería capaz de realizar activamente esa computación.
Origen conceptual
Los físicos Graeme Mitchison y Richard Jozsa introdujeron la noción de computación contrafactual [1] como una aplicación de la computación cuántica, fundada en los conceptos de definición contrafáctica , en una reinterpretación del experimento mental del probador de bombas de Elitzur-Vaidman y haciendo uso teórico el fenómeno de la medición sin interacción .
Como ejemplo de esta idea, en 1997, después de ver una charla sobre Computación contrafactual de Richard Jozsa en el Instituto Isaac Newton, Keith Bowden (con base en la Unidad de Investigación de Física Teórica en Birkbeck College, Universidad de Londres) publicó un artículo [2] describiendo una computadora digital que podría ser interrogada de manera contrafáctica para calcular si un rayo de luz no atravesaría un laberinto. [3]
Más recientemente, se ha propuesto y demostrado la idea de la comunicación cuántica contrafactual. [4]
Esquema del método
La computadora cuántica puede implementarse físicamente de formas arbitrarias [5], pero el aparato común considerado hasta la fecha incluye un interferómetro Mach-Zehnder . La computadora cuántica se coloca en una superposición de estados de "no ejecución" y "ejecución" por medios como el Efecto Quantum Zeno . Esas historias de estado son interferidas cuánticamente . Después de muchas repeticiones de medidas proyectivas muy rápidas, el estado de "no ejecución" evoluciona a un valor final impreso en las propiedades de la computadora cuántica. La medición de ese valor permite conocer el resultado de algunos tipos de cálculos [6] , como el algoritmo de Grover, aunque el resultado se haya derivado del estado de inactividad de la computadora cuántica.
Definición
La formulación original [1] de Computación Cuántica Contrafactual establecía que un conjunto m de resultados de medición es un resultado contrafactual si (1) hay solo un historial asociado am y ese historial contiene solo estados "inactivos" (no en ejecución), y (2) solo hay una única salida computacional posible asociada a m .
Una definición refinada [7] de cálculo contrafactual expresada en procedimientos y condiciones es: (i) Identificar y etiquetar todas las historias (caminos cuánticos), con tantas etiquetas como sea necesario, que conducen al mismo conjunto m de resultados de medición, y (ii) ) superponen coherentemente todas las historias posibles. (iii) Después de cancelar los términos (si los hay) cuyas amplitudes complejas juntas suman cero, el conjunto m de resultados de medición es un resultado contrafactual si (iv) no quedan términos con la etiqueta de ejecución de computadora en sus etiquetas de historial, y (v) hay una única salida de computadora posible asociada a m .
Matriz de espejos
En 1997, después de discutir con Abner Shimony y Richard Jozsa , e inspirado por la idea del Probador de bombas Elitzur-Vaidman (1993), Keith Bowden publicó un artículo [2] que describe una computadora digital que podría ser interrogada de manera contrafáctica para calcular si un fotón no lograría atravesar un laberinto de espejos. [3] Este llamado Mirror-Array reemplaza la bomba tentativa en el dispositivo de Elitzur y Vaidman (en realidad, un interferómetro Mach-Zehnder ). Una vez de cada cuatro, un fotón saldrá del dispositivo de tal manera que indique que el laberinto no es navegable, aunque el fotón nunca pasó a través del Mirror Array. El Mirror Array en sí está configurado de tal manera que está definido por una matriz de bits de n por n. La salida (falla o no) se define en sí misma por un solo bit. Por lo tanto, el Mirror Array en sí mismo es una computadora digital con n bits de entrada y 1 bit de salida que calcula laberintos y se puede ejecutar de manera contrafáctica. Aunque el dispositivo general es claramente una computadora cuántica, la parte que se prueba de manera contrafáctica es semiclásica.
Demostración experimental
En 2015, la computación cuántica contrafactual se demostró en el contexto experimental de "giros de un centro de color de vacante de nitrógeno cargado negativamente en un diamante". [8] Se excedieron los límites de eficiencia previamente sospechados, logrando una eficiencia computacional contrafactual del 85% con la mayor eficiencia prevista en principio. [9]
Referencias
- ^ a b Mitchison, Graeme; Jozsa, Richard (8 de mayo de 2001). "Cálculo contrafactual". Actas de la Royal Society de Londres Una . 457 (2009): 1175–1193. arXiv : quant-ph / 9907007 . Código Bibliográfico : 2001RSPSA.457.1175M . CiteSeerX 10.1.1.251.9270 . doi : 10.1098 / rspa.2000.0714 .
- ^ a b Bowden, Keith G, "La computación clásica puede ser contrafactual", en Aspectos I, Proc ANPA19, Cambridge 1997 (publicado en mayo de 1999), ISBN 0-9526215-3-3
- ^ a b Bowden, Keith (15 de marzo de 1997). "¿Puede el gato de Schrodinger colapsar la función de onda?" . Archivado desde el original el 16 de octubre de 2007 . Consultado el 8 de diciembre de 2007 . (Versión revisada de "La computación clásica puede ser contrafactual")
- ^ Liu Y, et al. (2012) "Demostración experimental de la comunicación cuántica contrafactual". Phys Rev Lett 109: 030501
- ^ Hosten, Onur; Rakher, Matthew T .; Barreiro, Julio T .; Peters, Nicholas A .; Kwiat, Paul G. (14 de diciembre de 2005). "Cálculo cuántico contrafactual mediante interrogación cuántica". Naturaleza . 439 (7079): 949–952. Código Bibliográfico : 2006Natur.439..949H . doi : 10.1038 / nature04523 . PMID 16495993 .
- ^ Mitchison, Graeme; Jozsa, Richard (1 de febrero de 2008). "Los límites del cómputo contrafactual". arXiv : quant-ph / 0606092 .
- ^ Hosten, Onur; Rakher, Matthew T .; Barreiro, Julio T .; Peters, Nicholas A .; Kwiat, Paul (26 de junio de 2006). "Cálculo contrafactual revisado". arXiv : quant-ph / 0607101 .
- ^ Kong, Fei; Ju, Chenyong; Huang, Pu; Wang, Pengfei; Kong, Xi; Shi, Fazhan; Jiang, Liang; Du, Jiangfeng (21 de agosto de 2015). "Realización experimental de cómputo contrafactual de alta eficiencia" . Cartas de revisión física . 115 (8): 080501. Código bibliográfico : 2015PhRvL.115h0501K . doi : 10.1103 / PhysRevLett.115.080501 . PMID 26340170 .
- ^ Zyga, Lisa. "Computadora cuántica que 'computa sin correr' establece récord de eficiencia" . Phys.org . Omicron Technology Limited . Consultado el 6 de septiembre de 2015 .