Imagina que entras en un casino para jugar a las tragaperras. Has oído que una de ellas concede más premios que las demás, así que tu objetivo es averiguar cuál es. Pero, ¿cuántos recursos debes emplear para analizar las máquinas antes de que te decidas por una?

Este problema se conoce como el dilema de exploración-explotación, y surge en todo tipo de circunstancias, desde la explotación petrolífera y el juego, hasta la planificación de negocios. La dificultad, claro está, reside en que las máquinas son probabilísticas, así que siempre es posible ser engañado para jugar con una máquina que no conceda demasiados premios por una buena racha que se produce por casualidad.

Hay varios algoritmos que pueden ayudar. Estos programas informáticos de distintos grados de complejidad simulan lo que pasa y utilizan la teoría de la probabilidad para calcular el mejor próximo paso.

Pero ahora existe otro método. Recientemente, Makoto Naruse del Instituto Nacional de Tecnologías de Información y Comunicación de Tokio (Japón) y su equipo han señalado que las leyes de la mecánica cuántica son probabilísticas, y por tanto proporcionan un entorno natural para la teoría de la decisión.

Esto les ha permitido construir un extraordinario dispositivo de toma de decisiones. Su nuevo juguete se compone de una pistola de fotones y un detector de fotón único que utiliza las leyes de la física para tomar decisiones en lugar de emplear complicados algoritmos. El dispositivo aumenta las posibilidades de que este tipo de inteligencia fotónica ayude a tomar decisiones complejas.

La teoría es sencilla. Una estrategia para encontrar la mejor máquina tragaperras sería empezar a alimentar las máquinas y contar cuánto pagan cada vez que dan un premio. Entonces, mientras aprendes, alimentas más las máquinas que más favorables hasta dar con la mejor de todas.

El tomador de decisiones de fotón único hace todo esto de forma automática. Consta de una pistola que dispara fotones a través de un filtro polarizador. Este filtro puede ajustarse para polarizar los fotones de forma horizonal o vertical.

Cuando esté a 45º, sin embargo, cada fotón tiene las mismas probabilidades de ser polarizado de forma horizontal o vertical. Así, esta configuración produce un flujo constante de fotones polarizados de forma horizontal o vertical con unas probabilidades del 50% cada una.

Rotar el filtro cambia estas probabilidades. Desplazar el filtro en vertical aumenta las probabilidades de una polarización vertical mientras reduce las probabilidades de la polarización horizontal. Así, con esta configuración, más fotones serán polarizados verticalmente.

Entonces el equipo de Naruse utiliza la polarización de los fotones para elegir entre dos máquinas tragaperras. Por ejemplo, un fotón vertical representa una apuesta hecha con la primera máquina, mientras que un fotón horizontal representa una apuesta en la segunda.

El proceso de toma de decisiones se produce al crear un bucle de retroalimentación después de cada apuesta. Así que si la primera máquina da un premio, el filtro se desplaza hacia el vertical, aumentando las posibilidades de que reciba más apuestas en el futuro. Pero si un fotón horizontal genera un premio, el filtro se desplaza hacia el horizontal.

De esta manera, la máquina de fotones "aprende" cuál de las dos máquinas concede premios con mayor frecuencia.

Lo que interesa de esta configuración es que no requiere de la computación estándar, ni de ninguna simulación del sistema, ni de ningún cálculo de las probabilidades. En lugar de ello, las leyes de la física toman la decisión mediante un sencillo mecanismo de retroalimentación.

Esto no es un trabajo únicamente teórico. El equipo de Naruse ha desarrollado su propio tomador de decisiones de fotones utilizando una pistola de fotones hecha de la vacante de nitrógeno de nanodiamantes. Los fotones de este dispositivo determinan con cuál de las máquinas realizar una apuesta con la retroalimentación de los resultados para cambiar la orientación del filtro de polarización.

Los resultados con impresionantes. El tomador de decisiones de fotón único encuentra rápidamente la máquina más apremiante e incluso cambia de "opinión" cuando el equipo de Naruse cambia las probabilidades de premio de las máquinas. "Demostramos de forma experimental una toma de decisiones precisa y adaptiva", afirman.

Es un trabajo interesante que tiene importantes implicaciones para las máquinas inteligentes. Una de las ventajas de esta nueva máquina es su sencillez, ya que no requiere ninguna maquinaria de computación convencional. También puede ser diminuto, operando a una escala de nanómetros mientras consume muy poca energía.

Pero es en lo conceptual donde el nuevo dispositivo puede tener el mayor impacto. Hay un claro sentimiento de que las máquinas inteligentes deben depender de la computación electrónica para tomar decisiones. El equipo de Naruse demuestra que no es así. En lugar de eso, un nuevo tipo de inteligencia fotónica emplea las leyes de la física y un diseño ingenioso parecen decidir por sí mismo.

Ref: arxiv.org/abs/1509.00638 : Single-Photon Decision Maker