Retroacción cuántica: de obstáculo a recurso

Una de las características más contraintuitivas de la física cuántica es la influencia de la medición sobre el sistema observado. A menudo, se dice que medir un sistema cuántico provoca una importante perturbación, colapsando su función de onda cuántica y eliminando instantáneamente la superposición inicial. Sin embargo, este efecto extremo de retroacción ocurre con las llamadas mediciones proyectivas. Pero es posible realizar mediciones más suaves que extraigan menos información sobre el sistema sin colapsar completamente su función de onda. Para lograrlo, el aparato de medida debe interaccionar de manera indirecta con el sistema; por ello estas se conocen como mediciones indirectas.

En un nuevo estudio, Giacomo Franceschetto, Marcin Płodzień, Maciej Lewenstein, Antonio Acín y Pere Mujal, todos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels (Barcelona, Cataluña, España), han demostrado ahora la ventaja de las mediciones indirectas para tareas de aprendizaje automático (una modalidad de inteligencia artificial) en el ámbito cuántico. Ajustando cuidadosamente la intensidad de las medidas, los investigadores optimizaron la cantidad de retroacción introducida en el sistema cuántico, mejorando significativamente el rendimiento de un algoritmo llamado computación de reservorio cuántico (QRC, por sus siglas en inglés).

Hasta hace poco, muchos enfoques de QRC intentaban evitar las perturbaciones inducidas por las mediciones reiniciando el sistema después de cada paso del procesamiento, o intentaban compensarlas mediante retroalimentación clásica. En ambos casos, se trataba a la retroacción de las mediciones como una limitación a minimizar o corregir, y no como un recurso a aprovechar.

En 2021, investigadores del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC) en Mallorca, una de las islas Baleares, de España, incluyendo a Pere Mujal, propusieron una alternativa: un protocolo en línea en el que el mismo reservorio cuántico procesa una secuencia de entradas sin tener que reiniciarse a cada paso, lo cual mejora la eficiencia del algoritmo.

Con este enfoque, cada uno de los datos de una serie temporal se inyecta secuencialmente en el mismo reservorio cuántico. El sistema evoluciona, propagando la información a través de sus interacciones internas, y las señales resultantes se leen mediante mediciones indirectas. La clave es que cuando se introduce un nuevo dato no se reinicia el sistema, de modo que la retroacción de las mediciones anteriores permanece integrada en la dinámica del sistema. Repetir este ciclo para todos los elementos de la serie genera un conjunto de datos de características medidas, que posteriormente se utiliza para entrenar un modelo clásico para, por ejemplo, predecir una serie temporal caótica.

En el estudio actual, el equipo del ICFO adopta este protocolo en línea y explora sistemáticamente cómo la intensidad de las mediciones modifica el comportamiento del sistema. Los autores del estudio demuestran que controlando cuidadosamente la perturbación introducida por la medición, la dinámica interna del reservorio se reconfigura, mejorando su memoria y optimizando la predicción de señales complejas y caóticas. Este control permite que el algoritmo opere eficazmente en regímenes donde de otro modo tendría dificultades, transformando la retroacción de la medición, antes considerada una fuente de degradación, en un recurso útil.

"Aunque habitualmente se había pensado que la retroacción degradaba la memoria y la capacidad predictiva del reservorio, ahora demostramos que su contribución puede ser positiva utilizando el nuevo protocolo ", explica Mujal, investigador principal del estudio. "Esto representa un cambio conceptual en el campo, que pasa de ver la retroacción cuántica como una limitación inevitable a reconocerla como una herramienta puramente cuántica con gran potencial", añade.

Ilustración artística que recrea el protocolo en línea usado en el estudio. (Imagen: ICFO / Tomás Charles)

Ahora el equipo pretende investigar el papel de la retroacción en otros escenarios y colaborar con grupos experimentales para implementar su propuesta. Giacomo Franceschetto, primer autor del estudio, comenta: "Nos encantaría ver implementaciones concretas del protocolo en línea con mediciones indirectas ajustables, especialmente en plataformas de sistemas superconductores y fotónicos donde dicho control es factible, y demostrar el efecto de mejora que hemos descubierto."

El estudio se titula “Harnessing quantum backaction for time-series processing”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review X. (Fuente: ICFO)