Jiuzhang 4.0 y la carrera por la ventaja cuántica fotónica

En el experimento con Jiuzhang 4.0, los investigadores:

• Introdujeron 1.024 estados comprimidos de luz de alta eficiencia en el sistema
• Utilizaron un circuito óptico programable con 8.176 modos
• Detectaron eventos con hasta 3.050 fotones

Esta arquitectura genera patrones de interferencia óptica muy complejos que codifican el problema de muestreo cuántico.

Un nuevo récord en computación cuántica óptica

El experimento con Jiuzhang 4.0 estableció lo que los investigadores describen como un récord mundial en experimentos de información cuántica óptica, al incrementar de forma drástica el número de fotones utilizados en un test de GBS.

Según los resultados reportados, el prototipo resolvió la tarea de muestreo más de 10^54 veces más rápido que las supercomputadoras clásicas más potentes, bajo ciertos supuestos de simulación.

Comparaciones de este tipo dependen de los algoritmos clásicos utilizados para la simulación, pero el experimento se presenta como una evidencia sólida de ventaja computacional cuántica: un régimen donde reproducir los resultados mediante métodos clásicos resulta extremadamente difícil incluso cuando los algoritmos mejoran.

Qué cambia respecto a Jiuzhang 3.0

Jiuzhang 4.0 es la última evolución de una serie de prototipos fotónicos desarrollados por el mismo equipo de investigación.

El modelo anterior, Jiuzhang 3.0, había alcanzado 255 fotones detectados en un experimento de boson sampling presentado en 2023.

La nueva versión amplía varios aspectos clave:

Escala de fotones

• Jiuzhang 3.0: 255 fotones detectados
• Jiuzhang 4.0: hasta 3.050 fotones, más de diez veces más

Arquitectura del sistema

Jiuzhang 4.0 integra 1.024 fuentes de estados comprimidos y un interferómetro programable con 8.176 modos ópticos, lo que multiplica la complejidad del circuito fotónico.

Programabilidad

El nuevo sistema está diseñado como una plataforma fotónica programable, capaz de implementar diferentes configuraciones de transformaciones ópticas en lugar de ejecutar un único experimento fijo.

Estas mejoras permiten generar estados cuánticos mucho más grandes y distribuciones de muestreo más complejas que en las versiones anteriores.

Por qué el muestreo de bosones gaussianos es importante

El Gaussian Boson Sampling no es un problema de computación de propósito general. Se utiliza principalmente como prueba de referencia para evaluar si un dispositivo cuántico puede superar a los algoritmos clásicos.

La dificultad matemática proviene de calcular las probabilidades de detectar determinadas combinaciones de fotones. Para sistemas grandes, estos cálculos dependen de funciones complejas —como los loop hafnians— cuyo coste computacional crece exponencialmente con el número de fotones.

Por eso, al aumentar el número de fotones y modos ópticos, la simulación clásica se vuelve rápidamente impracticable. Experimentos como Jiuzhang 4.0 sirven entonces como evidencia experimental de que los sistemas cuánticos pueden alcanzar regiones de cálculo inaccesibles para ordenadores convencionales.

Qué significa este avance para la computación cuántica

Jiuzhang 4.0 demuestra que el hardware cuántico basado en fotones puede escalar hasta miles de fotones manteniendo suficiente fidelidad para mostrar ventaja cuántica en tareas de muestreo.

Este avance es relevante por varias razones:

• Refuerza la evidencia experimental de ventaja cuántica en sistemas físicos reales.
• Demuestra que las arquitecturas fotónicas pueden crecer en escala y complejidad.
• Impulsa el desarrollo de fuentes, detectores y circuitos ópticos necesarios para futuras máquinas cuánticas.

Los fotones son especialmente atractivos para la computación cuántica porque pueden operar a temperatura ambiente y viajar largas distancias en sistemas ópticos, lo que facilita su integración en redes cuánticas y arquitecturas distribuidas.

Aun así, Jiuzhang 4.0 no es todavía un ordenador cuántico universal. Está optimizado para un tipo concreto de experimento de muestreo y no para ejecutar algoritmos arbitrarios como los que se esperan de futuros ordenadores cuánticos tolerantes a fallos.

La carrera global por la ventaja cuántica

El desarrollo de la serie Jiuzhang refleja una tendencia global en la investigación cuántica: distintas tecnologías compiten por demostrar sistemas escalables.

Entre las principales plataformas se encuentran:

• qubits superconductores
• iones atrapados
• átomos neutros
• sistemas fotónicos

Cada enfoque tiene ventajas y desafíos distintos. El experimento de 3.050 fotones de Jiuzhang 4.0 se sitúa entre las demostraciones fotónicas más grandes realizadas hasta ahora, ampliando los límites de lo que los procesadores cuánticos ópticos pueden lograr.

Si estas plataformas podrán evolucionar hasta convertirse en ordenadores cuánticos universales y tolerantes a fallos sigue siendo una cuestión abierta. Sin embargo, experimentos de esta escala muestran que la tecnología fotónica está avanzando rápidamente hacia ese objetivo.