Tribuna mini Saltar publicidad
Publicad autobus 800x800 file

Un 'polvo mágico' de luz y materia podría superar la capacidad de los superordenadores

Imagen cedida por la Universidad de Cambridge

Un tipo de 'polvo mágico' que combina la luz y la materia se puede utilizar para resolver problemas complejos y, finalmente, podría incluso superar las capacidades de los superordenadores más potentes.

Investigadores de las universidades de Cambridge, Southampton y Cardiff en el Reino Unido y el Instituto Skolkovo de Ciencia y Tecnología en Rusia han utilizado partículas cuánticas conocidas como polaritones --que son mitad luz y media materia-- para actuar como un tipo de "faro" que muestra el camino a la solución más simple a los problemas complejos.

 

Este nuevo diseño podría constituir la base de un nuevo tipo de ordenador capaz de resolver problemas que en la actualidad no tienen solución, en diversos campos como la biología, las finanzas o los viajes espaciales. Los resultados se publican en la revista 'Nature Materials'.

 

El progreso tecnológico --desde modelar el plegamiento de proteínas y el comportamiento de los mercados financieros hasta diseñar nuevos materiales y enviar misiones totalmente automatizadas al espacio profundo-- depende de la capacidad del ser humano para encontrar la solución óptima de una formulación matemática de un problema: el número mínimo absoluto de pasos que se necesita para resolver ese problema.

 

La búsqueda de una solución óptima es análoga a la búsqueda del punto más bajo en un terreno montañoso con muchos valles y barranco. Un excursionista puede ir cuesta abajo y pensar que ha alcanzado el punto más bajo de todo el paisaje, pero puede haber una caída más profunda justo detrás de la próxima montaña. Tal búsqueda puede parecer desalentadora en el terreno natural, pero plantea toda su complejidad en el espacio de alta dimensión.

 

"Este es exactamente el problema a abordar cuando la función objetivo de minimizar representa un problema de la vida real con muchas incógnitas, parámetros y limitaciones", dijo la profesora Natalia Berloff del Departamento de Matemáticas Aplicadas de Cambridge y Física Teórica y el Skolkovo Institute of Science and Tecnología, primera autora del documento.

 

Los superordenadores modernos sólo pueden ocuparse de un pequeño subconjunto de tales problemas cuando la dimensión de la función a minimizar es pequeña, o cuando la estructura subyacente del problema le permite encontrar la solución óptima rápidamente incluso para una función de gran dimensionalidad. Incluso un ordenador cuántico hipotético, si se realiza, ofrece en el mejor de los casos la aceleración cuadrática para la búsqueda de "fuerza bruta" para el mínimo global.

 

Berloff y sus colegas abordaron el problema desde un ángulo inesperado: '¿qué pasaría si en lugar de desplazarse por el terreno montañoso en busca del punto más bajo, se llena el paisaje de un polvo mágico que sólo brilla en el nivel más profundo, convirtiéndose en un marcador fácilmente detectable de la solución?'.

 

"Hace unos años nuestra propuesta puramente teórica sobre cómo hacer esto fue rechazada por tres revistas científicas", dijo Berloff. "Un árbitro dijo, ¡¿Quién estaría lo suficientemente loco como para intentar implementar esto?!', así que tuvimos que hacerlo nosotros mismos, y ahora hemos probado nuestra propuesta con datos experimentales", explica.

 

Sus polaritones de "polvo mágico" se crean haciendo brillar un láser en capas apiladas de átomos seleccionados como el galio, el arsénico, el indio y el aluminio. Los electrones de estas capas absorben y emiten luz de un color específico. Los polaritones son diez mil veces más ligeros que los electrones y pueden alcanzar densidades suficientes para formar un nuevo estado de materia conocido como condensado de Bose-Einstein, donde las fases cuánticas de los polaritones se sincronizan y crean un solo objeto cuántico macroscópico que puede ser detectado a través de mediciones de fotoluminiscencia.

 

La siguiente pregunta que los investigadores tuvieron que abordar fue cómo crear un paisaje potencial que corresponda a la función a ser minimizada y obligar a los polaritones a condensarse en su punto más bajo. Para ello, el grupo se centró en un tipo particular de problema de optimización, pero un tipo que es lo suficientemente general para que cualquier otro problema complejo pueda estar relacionado con él, a saber, la minimización del modelo XY que es uno de los modelos más fundamentales de estadística mecánica.

 

Los autores han demostrado que pueden crear polaritones en los vértices de un gráfico arbitrario: a medida que los polaritones se condensan, las fases cuánticas de los polaritones se organizan en una configuración que corresponde al mínimo absoluto de la función objetivo.

 

"Estamos apenas al principio de explorar el potencial de los gráficos polaritón para resolver problemas complejos", dijo el profesor Pavlos Lagoudakis, co-autor del Laboratorio de Fotónica Híbrida de la Universidad de Southampton y el Instituto Skolkovo de Ciencia y Tecnología, donde se realizaron experimentos. "Actualmente estamos ampliando nuestro dispositivo a cientos de nodos, mientras probamos su potencia computacional fundamental --concluye el investigador--. El objetivo final es un simulador cuántico de microchip que funciona en condiciones ambientales".