La computación cuántica contrafactual es un método para inferir el resultado de un cálculo sin ejecutar realmente una computadora cuántica capaz de realizar activamente ese cálculo.
Los físicos Graeme Mitchison y Richard Jozsa introdujeron la noción de computación contrafactual [1] como una aplicación de la computación cuántica, basada en los conceptos de precisión contrafactual , en una reinterpretación del experimento mental del probador de bombas de Elitzur-Vaidman y haciendo un uso teórico de el fenómeno de la medición libre de interacción .
Después de ver una charla sobre computación contrafactual de Jozsa en el Instituto Isaac Newton , Keith Bowden de la Unidad de Investigación de Física Teórica del Birkbeck College de la Universidad de Londres publicó un artículo [2] en 1997 describiendo una computadora digital que podría ser interrogada de manera contrafactual para calcular si un rayo de luz no lograría atravesar un laberinto [3] como ejemplo de esta idea.
Más recientemente se ha propuesto y demostrado la idea de la comunicación cuántica contrafactual. [4]
La computadora cuántica puede implementarse físicamente de manera arbitraria [5] pero, hasta la fecha, el aparato común considerado incluye un interferómetro Mach-Zehnder . La computadora cuántica se coloca en una superposición de estados "no en funcionamiento" y "en funcionamiento" mediante medios como el efecto cuántico Zenón . Esas historias estatales están interferidas cuánticamente . Después de muchas repeticiones de mediciones proyectivas muy rápidas, el estado de "no funcionamiento" evoluciona hasta un valor final impreso en las propiedades de la computadora cuántica. Medir ese valor permite conocer el resultado de algunos tipos de cálculos [6] , como el algoritmo de Grover, aunque el resultado se derivó del estado de inactividad de la computadora cuántica.
La formulación original [1] de la computación cuántica contrafactual establecía que un conjunto m de resultados de medición es un resultado contrafactual si hay sólo una historia asociada a m y esa historia contiene sólo estados "apagados" (no en ejecución), y sólo 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 (rutas cuánticas), con tantas etiquetas como sea necesario, que conduzcan 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 por computadora en sus etiquetas históricas, y (v) sólo hay una única salida de computadora posible asociada a m .
En 1997, después de conversaciones con Abner Shimony y Richard Jozsa, e inspirado por la idea del probador de bombas Elitzur-Vaidman (1993), Keith Bowden (Birkbeck College) publicó un artículo [2] que describe una computadora digital que podría ser interrogada contrafactualmente para calcular si un fotón no lograría atravesar un laberinto de espejos. [3] Este llamado conjunto de espejos reemplaza la bomba provisional en el dispositivo de Elitzur y Vaidman (en realidad, un interferómetro Mach-Zehnder). Una de cada cuatro veces, un fotón saldrá del dispositivo de tal manera que indique que el laberinto no es navegable, aunque el fotón nunca haya pasado a través del conjunto de espejos. La matriz de espejos en sí está configurada de tal manera que está definida por una matriz de bits de n por n . La salida (falla o no) está definida por un solo bit. Por lo tanto, la matriz de espejos en sí es una computadora digital de n bits al cuadrado y 1 bit que calcula laberintos y se puede ejecutar de manera contrafactual. Aunque el dispositivo en general es claramente una computadora cuántica, la parte que se prueba contrafactualmente es semiclásica.
En 2015, la computación cuántica contrafactual se demostró en el contexto experimental de "espines de un centro de color con vacantes de nitrógeno cargado negativamente en un diamante". [8] Se superaron los límites de eficiencia previamente sospechados, logrando una eficiencia computacional contrafactual del 85% con la mayor eficiencia prevista en principio. [9]